Плазмалемма (плазматическая мембрана)
Строение мембран.
Согласно жидкостно-мозаичной модели, предложенной в 1972 г. Николсоном и Сингером, в состав мембран входит фосфолипидный бислой (25-60 %), в который включены молекулы белков (40-75%).
Многие мембраны покрыты снаружи слоемгликокаликсатолщиной 10—20 нм. Основными составляющими гликокаликса служат комплексы полисахаридов с белками (гликопротеины) и жирами (гликолипиды). Изнутри к мембране примыкает кортикальный (корковый) слой цитоплазмы толщиной 0,1—0,5 мкм, в котором не встречаются рибосомы и пузырьки, но в значительном количестве находятся внутриклеточные фибриллярные структуры — микротрубочки и микрофиламенты, имеющие в своем составе сократимые белки. Они обеспечивают механическую устойчивость плазматической мембраны. Липиды — это водонерастворимые вещества, молекулы которых имеют два полюса, или два конца. Липиды образуют непрерывный двойной слой (6-10 нм). Один конец молекулы обладает гидрофильными свойствами, его называют полярным. Другой полюс гидрофобный, или неполярный.
В биологической мембране молекулы липидов двух параллельных слоев обращены друг к другу неполярными концами, а их полярные полюса остаются снаружи, образуя гидрофильные поверхности.
Если полярные липиды смешать с водой, то образуется эмульсия, состоящая из мицелл. Мембраны не представляют собой плоские слои, они всегда замкнуты сами на себя, образуя полые вакуоли, пузырьки, везикулы, плоские замкнутые мешки или трубчатые образования.
В фосфолипидный бислой погружены молекулы структурных, транспортных, ферментативных, рецепторных белков. Их можно разделить на три группы: периферические, погруженные (полуинтегральные) и пронизывающие (интегральные).Большая часть липидных молекул (70 %) не связана с белками, так что белковые молекулы как бы плавают в липидном слое. Липидный бислой определяет структурные особенности мембран, а белки — большинство ее функций. Большинство белков мембраны является ферментами. Полуинтегральные белки образуют на мембране биохимический «конвейер», на котором в определенной последовательности осуществляется превращение веществ. Положение погруженных белков в мембране стабилизируется периферическими белками. Интегральные белки обеспечивают передачу информации в двух направлениях: через мембрану в сторону клетки и обратно. Интегральные белки бывают двух типов: переносчики и каналообразующие. Последние выстилают пору, заполненную водой. Через нее осуществляется прохождение ряда растворенных неорганических веществ с одной стороны мембраны на другую.
Свойства плазмалеммы:
1) Латеральная подвижность липидов и белков мембран — липидные и белковые молекулы двигаются вдоль липидного слоя, могут вращаться вокруг своей оси, переходить из слоя в слой с помощью специальных переносчиков. Скорость перемещения белков в десятки и сотни раз ниже.
2) Асимметричность — состав липидов по обе стороны мембраны различен, асимметричное расположение белков.
3) Способность к быстрому росту за счет быстрого встраивания (интеркаляция) пузырьков в растущую плазматическую мембрану. Здесь внутриклеточные мембранные пузырьки подходят к внутренней стороне плазматической мембраны, происходит слияние мембран и тем самым увеличение поверхности плазматической мембраны.
4) Полупроницаемость — молекулы проходят через нее с различной скоростью: чем больше размер молекул, тем меньше скорость прохождения их через мембрану.
Это необходимо для поддержания постоянства ее состава (т.е. гомеостаза).
Функции мембран:
1) Компартментация жизни — упорядоченность процессов в пространстве и времени. Компартментация способствует пространственному разделению веществ и процессов в клетке. Отдельный компартмент представлен органеллой (лизосома) или ее частью (пространство, отграниченное внутренней мембраной митохондрии). Благодаря компартментации клеточного объема в эукариотической клетке наблюдается разделение функций между разными структурами. Одновременно различные структуры закономерно взаимодействуют друг с другом.
2) Барьерная — благодаря свойству избирательной проницаемости она регулирует химический состав внутренней среды клетки.
3) Рецепторная — на внешней поверхности плазматической мембраны в животной клетке белковые и липидные молекулы связаны с углеводными цепями, образуя гликокаликс. Углеводные цепи выполняют роль рецепторов. Благодаря им осуществляется межклеточное узнавание. Клетка приобретает способность специфически реагировать на воздействия извне а также распознавать определенные биологически активные вещества (гормоны). Взаимодействие гормона со «своим» рецептором снаружи вызывает изменение структуры интегрального белка, что приводит к запусканию клеточного ответа. В частности, такой ответ может проявиться в образовании «каналов», по которым растворы некоторых веществ поступают в клетку или выводятся из нее. В удержании (заякоривании) этих веществ на клеточной поверхности участвуют белки кортикального слоя. Наличие в оболочке рецепторов дает клеткам возможность воспринимать сигналы извне, чтобы целесообразно реагировать на изменения в окружающей их среде или состоянии организма. В пластах и слоях соседние клетки удерживаются благодаря наличию разного вида контактов, которые представлены участками плазмалеммы, имеющими особое строение. С помощью взаимодействия между гликопротеинами плазматических мембран обеспечивается свойство адгезииклеток (соединение, сцепление) друг с другом.
4) Транспортная.Транспорт веществ обеспечивает наличие в клетке соответствующего рН и ионной концентрации веществ, необходимых для эффективной работы клеточных ферментов, поставляет в клетки питательные вещества, служащие источником энергии и используемые для образования клеточных компонентов. Выведение токсических и секреция необходимых клетке веществ, а также создание ионных градиентов, необходимых для нервной и мышечной активности, связано с транспортом веществ. Механизм транспорта веществ в клетку и из нее зависит от размеров транспортируемых частиц. Малые молекулы и ионы проходят через мембраны путем пассивного и активного транспорта. Перенос макромолекул и крупных частиц осуществляется за счет образования окруженных мембраной пузырьков и называется эндоцитозом и экзоцитозом. Пассивный транспорт происходит без затрат энергии путем диффузии, осмоса, облегченной диффузии. Диффузия - транспорт молекул и ионов через мембрану из области с высокой в область с низкой их концентрацией, т.е. вещества поступают по градиенту концентрации. Диффузия может бытьпростой и облегченной. Если вещества хорошо растворимы в жирах, то они проникают в клетку путем простой диффузии. Например, кислород, потребляемый клетками при дыхании и СО2 в растворе быстро диффундируют через мембраны. Диффузия воды через полупроницаемые мембраны называется осмосом. Вода способна проходить также через мембранные поры, образованные белками, и переносить молекулы и ионы растворенных в ней веществ. Вещества, нерастворимые в жирах и не проходящие через поры, транспортируются через ионные каналы, образованные в мембране белками, с помощью белков-переносчиков, также находящихся в мембране. Это облегченная диффузия. Активный транспорт веществ через мембрану происходит с затратой энергии АТФ и при участии белков-переносчиков. Он осуществляется против градиента концентрации. Белки-переносчики обеспечивают активный транспорт через мембрану таких веществ, как аминокислоты, сахар, ионы калия, натрия, кальция и др. Примером активного транспорта может быть работа калий-натриевого насоса. Концентрация К+ внутри клетки в 10–20 раз выше, чем снаружи, а концентрация Na+ наоборот. Такая разница в концентрациях ионов обеспечивается работой (Nа+–К+)-насоса. Для поддержания данной концентрации происходит перенос трех ионов Na+ из клетки на каждые два иона К+ в клетку. В этом процессе принимает участие белок в мембране, выполняющий функцию фермента, расщепляющего АТФ, с высвобождением энергии, необходимой для работы насоса. Участие специфических мембранных белков в пассивном и активном транспорте свидетельствует о высокой специфичности этого процесса. Макромолекулы и более крупные частицы проникают через мембрану внутрь клетки путем эндоцитоза, а удаляются из нее – экзоцитозом. При эндоцитозе плазматическая мембрана образует впячивания или выросты, которые затем отшнуровываясь превращаются во внутриклеточные пузырьки, содержащие захваченный клеткой материал. Продукты поглощения поступают в клетку в мембранной упаковке. Эти процессы происходят с затратой энергии АТФ. Различают два вида эндоцитоза – фагоцитоз и пиноцитоз. Фагоцитоз – захват и поглощение клеткой крупных частиц (иногда целых клеток и их частей). Специальные клетки, осуществляющие фагоцитоз, называются фагоцитами. В результате образуются крупные пузырьки, называемые фагосомами. Жидкость и растворенные в ней вещества поглощаются клеткой посредством пиноцитоза.
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 продукты клетки. Некоторые секретируемые клеткой белки упаковываются в транспортные пузырьки, непрерывно переносятся к плазматической мембране, сливаются с ней и открываются во внеклеточное пространство, высвобождая содержимое. Это характерно для всех эукариотических клеток. В других клетках, главным образом секреторных, определенные белки запасаются в специальных секреторных пузырьках, которые сливаются с плазматической мембраной только после получения клеткой соответствующего сигнала извне. Данные клетки способны к секреции веществ в зависимости от определенных потребностей организма, например, в гормонах или ферментах.
Патология мембран
Главное условие в гомеостазе клетки – нормальная проницаемость цитомембраны. Мембрана поддерживает внутренний химический состав клетки посредством избирательной проницаемости и транспортировки. Воздействие тех или иных внутренних и внешних факторов приводит на начальном этапе к повреждению элементарных структур клетки и нарушению их функций, в дальнейшем возможно развитие, как патологии отдельной клетки, так и клеточных коопераций.
Причинами повреждения цитоплазматической мембраны являются:
1) Образование свободных радикалов в результате воздействия на клетки ионизирующего излучения, химических ядов, оксигенотерапии, острого воспаления и т. д. Основное действие свободных радикалов заключается в перекисном окислении липидов клеточной и митохондриальной мембран, инактивации ферментов, разрыве нитей ДНК.
2) Лизис мембраны ферментами и вирусами. Например, панкреатические липазы могут способствовать развитию обширного некроза цитомембран клеток поджелудочной железы.
Результатами повреждения цитоплазматической мембраны являются потеря структурной целостности, нарушение барьерной функции, что может привести к избыточному поступлению воды в клетку – вакуольной дистрофии, нарушение мембранного транспорта, нарушение синтеза и обмена мембран.
Наиболее изученной моделью изменения мембранной проницаемости является повреждение тяжелыми металлами (ртуть, уран). Они резко увеличивают проницаемость мембран для натрия, калия, хлора, кальция, магния, что приводит к быстрому набуханию клеток, распаду их цитоскелета. С уменьшением количества ионов кальция во внеклеточной жидкости возможно утолщение клеточной мембраны. При этом изменяется проницаемость для ионов натрия и калия.
Цитоплазма
Цитоплазма — внутреннее содержимое клетки, состоит из основного вещества (гиалоплазмы), органелл и включений.
Гиалоплазма (основная плазма, матрикс цитоплазмы или цитозоль) – основное вещество цитоплазмы, заполняющее пространство между клеточными органеллами.
Химический состав ее значительно варьирует, но в среднем его можно представить так: 75-85% воды, 10-12% белков и аминокислот, 4-6% углеводов, 2-3% жиров и липидов, 1% неорганических веществ.
Вода - превосходный растворитель для полярных веществ. К ним относятся ионные соединения (соли). Минеральные соли играют важную роль в развитии живых организмов. Они могут находится либо в диссоциированном состоянии, либо в соединении с белками, углеводами и липидами.
Существуют различные классификации химических элементов содержащихся в организме. В.И. Вернадский делит их на три группы. Макроэлементы - элементы, содержание которых в организме выше 10-2%. К ним относятся кислород, углерод, водород, азот, фосфор, сера, кальций, магний и хлор.
Микроэлементы - элементы, содержание которых в организме находится в пределах от 10-3 до 10-5% . К ним относятся: йод, медь, фтор, бром, мышьяк, стронций, барий, кобальт.
Ультрамикроэлементы - элементы, содержание которых в организме ниже 10-5%. К ним относятся: ртуть, золото, уран, радий и др.
Нормальное протекание процессов в цитоплазме возможно лишь при пропорциональном соотношении элементов. Органы человека по-разному концентрируют различные химические элементы, т.е. микро- и макроэлементы по-разному накапливаются в печени, костной и мышечной ткани. Эти ткани являются основным депо (запасником для многих микроэлементов).
Элементы проявляют специфическое сродство по отношению к некоторым органам и содержатся в них в высоких концентрациях. Цинк концентрируется в поджелудочной и предстательной железе, йод в щитовидной, фтор в эмали зубов, алюминий, мышьяк, ванадий накапливаются в волосах и ногтях. Кадмий, ртуть, молибден - в почках, олово в тканях кишечника, стронций в костной ткани, барий - в пигментной сетчатке глаза, бром, марганец, хром в гипофизе и т.д.
В организмах микроэлементы могут находится как в связанном состоянии, так и в виде свободных ионных форм. Установлено, что кремний, алюминий, медь и титан в тканях головного мозга находятся, в виде комплексов с белками, тогда как марганец в ионном виде.
Макроэлементы - углерод, водород, кислород, азот, сера, фосфор, входят в состав белков, нуклеиновых кислот и других биологически активных соединений организма. Содержание углерода в белках, составляет от 5 до 55%. кислорода от 22 до 24%, азота от - 15 до 18%, водорода от 6,5 до 7%, сера от 0,3 до 2,5%, фосфора около 0,5%.
Углерод, водород и кислород входят в состав углеводов, содержание которых в тканях животных невелико, примерно 2%. Эти элементы входят в состав липидов.
Фосфор концентрируется в твердых тканях зубов, 600 грамм его содержится в костной ткани. Это составляет 85% от массы всего фосфора, находящегося в организме человека.
Кальций преимущественно концентрируется в костной ткани, а также зубной ткани. Натрий и хлор в основном содержатся во внеклеточных жидкостях, а калий и магний во внутриклеточных. В виде фторидов натрий и калий входят в состав костной и зубной ткани.
Десять металлов жизненно необходимых для живого организма получили название «металлов жизни». В организме человека массой 70 кг содержание «металлов жизни» составляет в гр. - кальций 1700, калий 250, натрий 70, магний 42, железо 5, цинк 3, медь 0,2, марганец, молибден и кобальт, вместе взятых – 0,1. В теле взрослого человека содержится около 3 кг минеральных солей, причем 5/6 этого количества (2,5 кг) приходится на долю костной ткани. Некоторые макроэлементы (Мg и Са) и большинство микроэлементов содержатся в организме в виде комплексов с биолигандами - аминокислотами, белками, нуклеиновыми кислотами, гормонами, витаминами. Так ион Fе2+ в качестве комплексообразователя входит в состав гемоглобина. Со2+ - в витамин В12, Мg2+ - в хлорофилл. На изменение содержания химических элементов в организме влияют различные заболевания. При рахите происходит нарушение фосфорно-кальциевого обмена, что приводит к снижению содержания кальция. При нефрите из-за нарушения электролитного обмена уменьшается содержание Са, Nа, Сl и повышается содержание Мg, К в организме.
В поддержании определенного содержания макро и микроэлементов в организме участвуют гормоны. Биологическая роль химических элементов в организме человека чрезвычайно разнообразна.
Главная функция макроэлементов состоит в построении тканей, подержания постоянства осмотического давления, ионного и кислотно-основного состава. Микроэлементы, входя в состав ферментов, гормонов, витаминов, биологически активных веществ в качестве комплексообразователей и активаторов, участвуют в обмене веществ, процессах размножения, тканевом дыхании, обезвреживании токсических веществ. Микроэлементы активно влияют на процесс кроветворения, окисления - восстановления, проницаемости сосудов и тканей.
Макро- и микроэлементы: Са, Р, F, J, Аl - определяют формирование костной и зубной ткани. Содержание некоторых элементов в организме человека меняется с возрастом. Так, содержание кадмия в почках и молибдена в печени при старении повышается. Максимальное содержание цинка наблюдается в период полового созревания, затем оно снижается и в старости доходит до минимума. С возрастом уменьшается содержание ванадия и хрома. Выявлено не мало заболеваний, связанных с недостатком или избытком накопления различных микроэлементов. Дефицит фтора вызывает кариес зубов, дефицит йода - эндемический зоб. Избыток молибдена – эндемическую подагру. В организме человека поддерживается баланс оптимальных концентраций биогенных элементов - химический гомеостаз. Нарушение этого баланса следствие недостатка или избытка элемента может привести к различным заболеваниям.
Кроме шести основных макроэлементов - органогенов: углерода, водорода, азота, кислорода, серы и фосфора, из которых состоят углеводы, жиры, белки и нуклеиновые кислоты, для нормального питания человека и животных необходимы неорганические макроэлементы - кальций, хлор, магний, калий, натрий - и микроэлементы - медь, фтор, йод, железо, молибден, цинк, а также селен, мышьяк, хром, никель, кремний, олово, ванадий.
Анализ содержания и соотношения микроэлементов в организме человека находят применение и в судебно - медицинской экспертизе. В случае алкогольного отравления под влиянием - этилового спирта в печени повышается содержание кальция, а натрия и калия становится меньше. При этом в сердце и почках содержание кальция снижается.
Недостаток в пищевом рационе таких элементов как железо, медь, фтор, цинк, йод, кальций, фосфор, магний приводит к серьезным последствиям для здоровья человека. Однако надо помнить, что для организма вреден не только недостаток, но и избыток биогенных элементов, т.к. при этом нарушается химический гомеостаз. При поступлении избытка марганца с пищей в плазме повышается уровень меди. Повышение содержания молибдена в продуктах питания приводит к увеличению количества меди в печени. Избыток цинка в пище вызывает угнетение активности железосодержащих ферментов.
Все процессы, связанные с усвоением вышеназванных элементов и их соединений в организме могут происходить в растворах. На клеточном уровне большая часть химических реакций протекает в водных растворах.
Присущее воде свойство растворителя означает также, что вола служит средой для транспорта различных веществ. Эту роль она выполняет в крови, лимфогенной и экскреторной системах, в пищеварительном тракте. Биологическое значение воды определяется и тем, что она представляет собой один из необходимых метаболитов.
Во всех организмах вола обеспечивает поддержание структуры, служит растворителем и средой для диффузии. Участвует в реакциях гидролиза, служит средой, в которой происходит оплодотворение. У животных обеспечивает транспорт веществ, обуславливает осморегуляцию, способствует охлаждению тела (потоотделение, тепловая одышка). Служит основным из компонентов смазки, например, в суставах, несет опорные функции (гидростатический скелет). Выполняет защитную функцию, например, в слезной жидкости и в слизи.
Белки являются одним из наиболее распространенных веществ клетки и в организме в целом, что обусловлено многогранностью их функций: пластическая, каталитическая, транспортная, гормональная, защитная, двигательная, опорная и формообразующая, энергетическая, запасающая, рецепторная, антибиотическая, токсическая.
Углеводы выполняют ряд важных функций: строительная, энергетическая, запасающая, защитная.
Жиры в живом организме выполняют следующие функции: структурную, энергетическую, запасающую, терморегуляторную.
Крупные молекулы белка в составе гиалоплазмы образуют коллоидный раствор, который может переходить из золя (невязкое состояние) в гель (вязкий). В гиалоплазме протекают ферментативные реакции, метаболические процессы (гликолиз), синтез аминокислот, жирных кислот. На рибосомах, свободно лежащих в цитоплазме, происходит синтез белков. Гиалоплазма содержит множество белковых филаментов (нитей), пронизывающих цитоплазму и образующих цитоскелет. В клетках животных организатором цитоскелета является область, расположенная рядом с ядром, содержащая пару центриолей. Цитоскелет определяет форму клеток, обеспечивает движение цитоплазмы, называемое циклозом.
Вакуолярная система
Вакуолярная система внутриклеточного транспорта состоит из одномембранных разнообразных по строению и функциям органелл (эндоплазматический ретикулум, аппарат Гольджи, лизосомы, эндосомы, пероксисомы, секреторные вакуоли), выполняющие общую функцию синтеза, модификации (перестройки), сортировки и экспорта (выведения) из клетки биополимеров, главным образом белков-гликопротеинов, а также функцию синтеза мембран этой системы и плазматической мембраны.
Схема функционирования вакуолярной системы.
Мембранные везикулярные компоненты, объединенные в единую функциональную систему, имеют общее свойство: они представляют собой одномембранные компартменты, имеющие один общий источник образования — гранулярный ЭПР. Характерны кооперативность ее функционирования, взаимосвязь и последовательность этапов образования, перестройки, транспорта и экспорта синтезированных белков.
1. ЭПР: синтез белков, их первичная модификация и соединение с олигосахаридами с образованием гликопротеинов, синтез мембранных липидов и их встраивание в мембрану.
2. Отделение вакуолей, содержащих новообразованные продукты, их переход в цис-зону АГ.
3. Промежуточная зона АГ: дополнительные модификации гликопротеинов.
4. Транс-зона АГ: сортировка секреторных и лизосомальных белков, отделение вакуолей.
5. Экзоцитоз (секреция).
6. Экзоцитоз постоянный.
7. Эндоцитоз.
8. Вторичная лизосома.
9. Рециклизация рецепторов плазматической мембраны.
10. Гладкий ЭПР: синтез и конденсация липидов.
11. Транспорт в зону АГ.
12. Транспорт от АГ в ЭПР.
Эндоплазматический ретикулум (сеть) (ЭПР или ЭПС) — это система цистерн и каналов, «стенка» которых образована мембраной. ЭПР пронизывает цитоплазму в разных направлениях и делит ее на изолированные отсеки (компартменты). Благодаря этому в клетке осуществляются специфические биохимические реакции. ЭПР выполняет также синтетическую и транспортную функции. Если на поверхности ЭПР есть рибосомы, его называют гранулярным (шероховатым), если рибосом нет — гладким. На рибосомах (полисомах) осуществляется синтез белков, удаляемых из клетки (например, секретируемых клетками желез). Плотно упакованные в слоистую структуру цистерны шероховатой сети являются участками наиболее активного белкового синтеза и называются эргастоплазмой. Белки проходят через мембрану в цистерны ЭПР, где приобретают третичную структуру и транспортируются по каналам к месту потребления. На гладком ЭПР происходит синтез углеводов, липидов, стероидных гормонов, холестерина.
Гладкий ЭПР принимает участие также в выведении ионов хлора в клетках эпителия желез желудка. Будучи депо ионов кальция, гладкий ЭПР участвует в сокращении кардиомиоцитов и волокон скелетной мышечной ткани. Выявлена его роль в детоксикации гепатоцитами веществ, которые поступают из полости кишки по воротной вене в печеночные капилляры. Он так же имеет отношение к метаболизму гликогена. ЭПР — основное место биосинтеза и построения мембран цитоплазмы. Отчленяющиеся от него пузырьки представляют исходный материал для других одномембранных органелл: аппарата Гольджи, лизосом, вакуолей.
Патология ЭПР
В условиях патологии можно наблюдать два вида морфологических изменений - гиперплазию и атрофию эндоплазматического ретикулума. Гиперплазия ЭР связана с воздействием экотоксинов - ДДТ, диметилнитрозамина, фосфора, а также с вирусной инфекцией. Атрофия ЭР, то есть уменьшение его размеров, сопровождается снижением белково-синтетических функций клетки (при голодании, болезнях печени, старении). Описанное под названием «дегрануляция шероховатого ЭР» уменьшение числа рибосом, связанных с ЭР, и общего числа рибосом часто наблюдается в гепатоцитах при интоксикации этионином, четыреххлористым углеродом и пиромицином. Эти изменения обратимы и свидетельствуют о снижении белкового синтеза. Наконец, необходимо помнить, что ЭР также является пристанищем для некоторых вирусов, в частности ретровирусов.
Таким образом, нарушение структуры и функции биологических мембран и ЭПС как ее производной приводит к возникновению и развитию патологических состояний обратимого и необратимого характера. Важно отметить, что самые ранние, начальные стадии патологического процесса, проявляющиеся только на уровне ультраструктур клеток, могут быть компенсированы.
Аппарат Гольджи расположен около клеточного ядра. Наиболее крупные аппараты Гольджи находятся в секреторных клетках. АГ образован совокупностью диктиосом (от нескольких десятков до сотен и тысяч). Диктиосома представлена стопкой из 3—12 уплощенных дискообразных цистерн, от краев которых отшнуровываются пузырьки (везикулы). Ограниченные определенным участком (локальные) расширения цистерн дают более крупные пузырьки (вакуоли). В дифференцированных клетках позвоночных животных и человека диктиосомы обычно собраны в околоядерной зоне цитоплазмы. Края цистерн переходят в трубочки, от которых отчленяются пузырьки (пузырьки Гольджи), транспортирующие заключенное в них вещество к месту его потребления. Отчленение пузырьков Гольджи происходит на одном из полюсов аппарата. Со временем это приводит к исчезновению цистерны. На противоположном полюсе аппарата осуществляется сборка новых дисков-цистерн. Они формируются из пузырьков, отпочковывающихся от гладкой эндоплазматической сети. Содержимое этих пузырьков, «унаследованное» от ЭПР, становится содержимым аппарата Гольджи, в котором подвергается дальнейшей переработке. Функции аппарата Гольджи разнообразны: секреторная, синтетическая, строительная, накопительная. Одна из важнейших функций - секреторная. В цистернах аппарата Гольджи происходит синтез сложных углеводов (полисахаридов), осуществляется их взаимосвязь с белками, приводящая к образованию мукопротеидов. С помощью пузырьков Гольджи готовые секреты выводятся за пределы клетки. Аппарат Гольджи образует гликопротеин (муцин), представляющий важную составную часть слизи; участвует в секреции воска, растительного клея. Иногда аппарат Гольджи принимает участие в транспорте липидов. В аппарате Гольджи происходит укрупнение белковых молекул. Он участвует в построении плазматической мембраны и мембран вакуолей. В нем формируются лизосомы.
Патология АГ
Морфологические проявления нарушений секреторной функции аппарата Гольджи выражаются или в виде гиперплазии, то есть увеличения площади его мембран и количества секреторных гранул, либо в виде атрофии, что сопровождается редукцией вакуолей и потерей секреторных гранул. Гиперплазия аппарата Гольджи обычно сочетается с гиперплазией эндоплазматического ретикулума. Если синтез тех или иных веществ опережает их секрецию и выведение, то эти вещества накапливаются в аппарате Гольджи и могут его повреждать. Например, накопление желчи в гепатоцитах при холестазе. Атрофия аппарата Гольджи свидетельствует о снижении его функциональной активности. Одной из причин такого снижения может быть белковое голодание, а также нарушение взаимодействия АГ с ЭПР.
Лизосомы (от греч. лизис – разрушение, расщепление, сома – тело) – пузырьки больших или меньших размеров (обычно 0,4-0,5 мкм), заполненные гидролитическими ферментами (протеазами, нуклеазами, липазами и другими). Лизосомы в клетках не представляют собой самостоятельных структур. Они образуются за счет активности эндоплазматической сети и аппарата Гольджи и напоминают секреторные вакуоли. Основная функция лизосом — внутриклеточное расщепление и переваривание веществ, поступивших в клетку или находящихся в ней, и удаление из клетки.
Они содержат около 40 гидролитических ферментов: протеиназы, нуклеазы, гликозидазы, фосфорилазы, фосфатазы, сульфатазы, оптимум действия которых осуществляется при рН 5. В мембраны лизосом встроены белки-переносчики для транспортировки продуктов гидролиза: мономеров расщепленных молекул — аминокислот, углеводов, липидов. Выделяют первичные и вторичные лизосомы (пищеварительные вакуоли, аутолизосомы, остаточные тельца).
Первичные лизосомы представляют собой пузырьки (100 нм), ограниченные от цитоплазмы одинарной мембраной. Ферменты, находящиеся в лизосомах, синтезируются на шероховатой эндоплазматической сети и транспортируются к аппарату Гольджи. В цистернах аппарата Гольджи вещества подвергаются дальнейшим превращениям. Пузырьки с набором ферментов, отделившиеся от цистерн аппарата Гольджи, называют первичными лизосомами. Они участвуют во внутриклеточном пищеварении и иногда секреции ферментов, выделяющихся из клетки наружу. Это происходит, например, при замене хряща костной тканью в процессе развития, при перестройке костной ткани в ответ на повреждение. Секретируя гидролитические ферменты, остеокласты (клетки-разрушители) обеспечивают разрушение минеральной основы и органического остова матрикса кости. Накапливающиеся «обломки» подвергаются внутриклеточному перевариванию. Остеобласты (клетки-строители) создают новые элементы кости. Первичные лизосомы могут сливаться с фагоцитарными и пиноцитарными вакуолями, образуя вторичные лизосомы. В них происходит переваривание веществ, поступивших в клетку путем эндоцитоза, усвоение их.
Вторичные лизосомы— внутриклеточные пищеварительные вакуоли, ферменты которых доставлены с помощью мелких первичных лизосом. Вторичные лизосомы (пищеварительные вакуоли) у простейших (амеб, инфузорий) - это способ поглощения пищи. Вторичные лизосомы могут выполнять защитную функцию, когда, например, лейкоциты (фагоциты) захватывают и переваривают попавшие в организм бактерии. Продукты переваривания поглощаются клеткой, но часть материала может остаться непереваренной. Вторичные лизосомы, содержащие нерасщепленный материал, называют остаточными тельцами или телолизосомами.
Остаточные тельца (телолизосомы) обычно через плазматическую мембрану выводятся наружу (экзоцитоз). У человека при старении организма в остаточных тельцах клеток мозга, печени и в мышечных волокнах накапливается «пигмент старения» - липофусцин.
Аутолизосомы (аутофагирующие вакуоли или аутофагосомы) присутствуют в клетках простейших, растений и животных. В этих лизосомах происходит разрушение отработанных органелл самой клетки (ЭПС, митохондрий, рибосом, гранул гликогена, включений и др.). Например, в клетках печени среднее время жизни одной митохондрии — около 10 дней. После этого срока мембраны эндоплазматической сети окружают митохондрию, образуя аутофагосому. Аутофагосомы сливаются с лизосомой, образуя аутофаголизосому, в которой происходит процесс распада митохондрии. Процесс уничтожения структур, ненужных клетке, называется аутофагией. Число аутолизосом возрастает при повреждениях клетки. В результате высвобождения содержимого лизосом в цитоплазму происходит саморазрушение клетки или аутолиз. При некоторых процессах дифференцировки аутолиз может быть нормой. Например, при исчезновении хвоста у головастика во время превращения его в лягушку. Ферменты лизосом принимают участие в аутолизе погибших клеток. В лизосомах необновляющихся клеток в результате многократного аутофагирования накапливается липофусцин — пигмент старения.
Таким образом, аутофагия представляет собой один из механизмов обновления внутриклеточных структур - внутриклеточной физиологической регенерации. Путем аугофагии устраняются органеллы, утратившие свою активность в процессе естественного их старения. Устраняются также органеллы, ставшие избыточными, если в процессе нормальной жизнедеятельности снижается интенсивность физиологических процессов в клетке. Аутофагия — один из способов регуляции функциональной активности и — один из механизмов реализации биологических ритмов на клеточном уровне. Лизосомы обеспечивают сохранность биологического равновесия, при многочисленных процессах — воспалении, иммунной защите, нарушении коагуляциикрови и др. Таким образом, лизосомы относятся к внутриклеточной литической, или «переваривающей» системе.
В некоторых случаях непереваренные остатки накапливаются в лизосомах, что приводит к их перегрузке. Выделение непереваренных остатков путем экзоцитоза и их накопление во внеклеточной среде, может вызвать повреждение внеклеточных структур. Поэтому этот механизм реализуется редко. Наиболее часто встречаются три типа пищеварительных расстройств клетки: внутриклеточный выброс, внеклеточный выброс и перегрузка.
Патология лизосом
Известно более 25 генетических заболеваний, связанных с патологией лизосом. Например, в лизосомах может происходить накопление гликогена, если отсутствует соответствующий фермент.
К патологии лизосом относится повреждение лизосомальных мембран. Дестабилизация лизосомальных мембран в виде трещин и разрывов может наблюдаться при воздействии различных агрессивных факторов:ионизирующей радиации, шоке, отравлении тетрахлористым углеродом, воздействии кремнием, недостатке витаминов и гипервитаминозе витамина А, воздействии бактериальных эндотоксинов и т.д. В этих случаях гидролазы диффундируют в клетку, что ведет её к прогрессивному разрушению.
Другой аномалией является недостаток лизосомальных энзимов. В лизосомах могут отсутствовать некоторые энзимы, необходимые для нормального метаболизма клеток. Энзимопатия или дисметаболическая болезнь имеет врожденный характер и передается по наследству по аутосомно-рецессивному типу. Существует ряд врожденных заболеваний, которые называются лизосомными «болезнями накопления». Их отличительным признаком является то, что под микроскопом в клетках наблюдается множество вакуолей. Дефицит энзимов наблюдается наиболее часто при гликогенозах. Например: болезнь Помпе, в основе развития которой лежит дефицит фермента альфа-глюкозидазы, что приводит к нарушениям со стороны сердечно-сосудистой системы, мышечной гипотонии, расстройству дыхания, цианозу. Такие дети гибнут на первом году жизни. Гистологически в лизосомах выявляется большое количество гликогена. Тип наследования - аутосомно-рецессивный. Другим примером является болезнь Гирке. В основе лежит дефицит фермента глюкозо-6-фосфатаза. У больных развиваются судороги, наб