Лизосомальная система и пероксисомы

Лекция № 2 Органоиды клетки

Органоиды клетки

Органоиды, или органеллы, - постоянные специфические структуры цитоплазмы, выполняющие определенные функции, необходимые для поддержания жизнедеятельности клетки.

Различают органоиды общего значения и специальные органоиды. Органоиды общего значения имеются во всех клетках и выполняют функции, общие для всех клеток – митохондрии, рибосомы, эндоплазматическая сеть, комплекс Гольджи, лизосомы, пероксисомы, цитоскелет и клеточный центр.

Органоиды специального значения имеются только в клетках какого-то определенного типа и обеспечивают выполнение функций, присущих только этим клеткам.

Мембранные органоиды:

- ядро;

- эндоплазматическая сеть;

- аппарат Гольджи;

- митохондии;

- лизосомы;

- пероксисомы;

- вакуоли.

Немембранные органоиды

- рибосомы;

- клеточный центр;

- цитоскелет.

Эндоплазматическая сеть открыта Портером в 1945 году. Морфология – сеть канальцев и цистерн сложенных мембранами. Различают гранулярную (шероховатую, зернистую) и гладкую ЭПС.

Гранулярная ЭПС содержит рибосомы на наружной стороне мембраны, обращенную к гиалоплазме. Гладкая ЭПС не содержит рибосомы. В скелетных мышцах ЭПС носит название саркоплазматический ретикулум. ЭПС пронизывает всю клетку. Полость ЭПС сообщается с перинуклеарным пространством ядра, а мембрана ЭПС с плазматической мембраной ядра. На рибосомах гранулярной ЭПС синтезируются секреторные белки, предназначенные для выведения из клетки, а также белки лизосом и внеклеточного матрикса.

Синтез указанных белков включает 5 этапов:

1. Связывание сигналраспознающtй частицы (SRP), состоящий из 6-ти белков и малой цитоплазматической РНК (srpРНК) с сигнальной последовательность полипептидной цепи.

2. Взаимодействие комплекса матричной РНК (мРНК) – рибосома - SRP со специфическим белком-рецептором (SRP-рецептором), находящимся на цитоплазматической стороне мембраны.

3. Освобождение SRP от комплекса; связывание рибосомы с белок-транслоцирующим комплексом мембраны шероховатой ЭПС транслоконом и встраивание сигнальной последовательности в канал транслокона.

4. Возобновление трансляции и перенос растущей полипептидной цепи в полость ЭПС.

5. Удаление сигнальной последовательности от полипептида под действием фермента.

В полости ЭПС синтезированные водорастворимые белки подвергаются фолдингу и гликозилированию путём присоединения к белкам однотипных олигосахаридных цепочек. В результате фолдинга белки приобретают специфическую конформацию, и в составе транспортных пузырьков, отделяющихся от мембраны ЭПС, транспортируются в комплекс Гольджи, где подвергаются дальнейшим модификациям и сортировке.

Наряду с секреторными белками на гранулярной ЭПС синтезируется большая часть полуинтегральных и интегральных белков. В ЭПС происходит также синтез мембраны липидов и осуществляется «сборка» компонентов мембраны.

Кроме того, ЭПС, как считают, участвуют в образовании пероксисом. Таким образом, грЭПС служит «фабрикой» мембран для плазмалеммы, аппарата Гольджи, лизосом и других мембранных структур клетки. ЭПС обеспечивает также сегрегацию (разделение) белков, предназначенных на экспорт, и лизосомных гидролаз от литозольных белков.

Агранулярная (гладкая) эндоплаз­матическая сеть представляет собой замкнутую сеть трубочек, канальцев, цистерн и везикулярных образований размером 50 —100 нм и образуется, по-видимому, из гранулярной ЭПС.

На цитоплазматической поверх­ности гладкой ЭПС синтезируются жирные кислоты, холестерол и боль­шая часть липидов клетки, в том чис­ле почти все липиды, необходимые для построения клеточных мембран. Поэтому гладкую ЭПС нередко назы­вают «фабрикой липидов». В клетках печени (гепатоцитах) с мембранами гладкого эндоплазматического ретикулума связан фермент, обеспечивающий образова­ние глюкозы из глюкозо-6-фосфата. Эта реакция имеет большое значение в поддержании уровня глюкозы в ор­ганизме человека. Кроме того, гладкая эндоплазматическая сеть осуществляет детоксикацию (обезвреживание). Большую роль в процессах деток­сикации играют ферменты семейства цитохрома Р450.

Помимо указанных основных функций, гладкая эндоплазматическая сеть выполняет ряд дополнительных. В ее мембранах локализуются Са²⁺ - насосы, активно закачивающие ионы Са²⁺ из цитозоля в полость саркоплазматической сети. Поэтому концентрация ионов Са²⁺ в полости гладкой эндоплазматической сети достигает 10^-3 моль/л, т.е. почти в 10 000 раз выше, чем в цитозоле. Под действием химиче­ских сигналов ионы Са²⁺ переносятся из полости гладкой ЭПС через ионные каналы, встроенные в ее мембрану, в гиалоплазму, где связываются с опреде­ленными белками, влияющими на мно­жество внутриклеточных процессов: активацию или инактивацию фермен­тов, экспрессию генов, освобождение антител из клеток иммунной системы и др.

В мышечных волокнах гладкая ЭПС имеет структурные и функциональные особенности и называется саркоплазматической сетью. При возбуждении плазмалеммы выход ионов Са² из гладкой эндоплазматической сети в ци­тозоль стимулирует сокращение миофибрилл.

В организме человека эндоплазма­тическая сеть особенно хорошо разви­та в клетках, синтезирующих гормоны, в клетках печени (гепатоцитах) и некоторых клетках почек.

Комплекс Гольджи (КГ), или аппа­рат Гольджи, - пластинчатый ком­плекс, расположен вблизи ядра, между ЭПС и плазмалеммой. Его структурно­функциональная единица — диктиосома представляет собой стопку из 5—20 плоских одномембранных мешочков (цистерн), имеющих диаметр около 1 мкм, внутренние полости которых не сообщаются друг с другом. Количество таких мешочков в стопке обычно не превышает 5-10, а расстояние между ними составляет 20—25 нм.

В каждой диктиосоме различают три части, проксималъную (cis-полюс), обращенную к ЭПС, медиальную и дистальную (trans- полюс), обращенную к плазмалемме. К дистальной цистерне транс-полюса примыкают многочисленные трубочки и пузырьки, образующие транс-сеть аппарата Гольджи.

Белки, синтезированные на шерохо­ватой эндоплазматической сети в соста­ве отпочковывающихся от нее мембран­ных пузырьков, покрытых клатрином, транспортируются к цис-полюсу аппа­рата Гольджи. В аппарате Гольджи осу­ществляется химическая модификация транспортируемых белков. Этот процесс происходит поэтапно по мере транспор­та белков от цис- к транс-полюсу аппа­рата Гольджи, каждая цистерна которо­го содержит характерный для нее набор ферментов.

В транс-сети осуществляется сортировка белков и упаковка их в мембран­ные пузырьки, покрытые клатрином. Белки, предназначенные для экспорта, заключаются в одни пузырьки, лизосомные белки — в другие, мембранные белки — в третьи. В специальные пузырьки упаковываются также белки, присущие ЭПС, например ферменты фолдинга, которые случайно оказались в комплексе Гольджи.

Сортировка белков осуществля­ется при помощи встроенных в мембрану транс-сети КГ особых белков-рецепторов, способных специфически взаимодействовать с определенными химическими группировками — маркерами молекул отбираемых белков. В результате участок мембраны, несущей рецепторы, связанные с маркерами отбираемых молекул, обособля­ется от КГ с образованием мембран­ного пузырька, покрытого клатрином, транспортирующего нужное вещество к месту назначения. Например, марке­ром лизосомальных ферментов служит присоединяющийся к ним в комплексе Гольджи олигосахарид, содержащий остаток маннозо-6-фосфата. Для белков ЭПС — ферментов фолдинга и др., которые случайно оказались в КГ, таким маркером служит последовательность из четырех аминокислот, по которой они узнаются и упаковыва­ются в пузырьки, а затем возвращаются обратно в ЭПС. Этот процесс получил название рециклизации.

Секреция экспортных белков осуществляется посредством конститутивной и регулируемой секреции.

В случае конститутивной секре­ции посредством конститутивной секреции осуществля­ется также транспорт мембранных бел­ков плазмалеммы.

Регулируемая секреция свойственна лишь специализированным клеткам, секретирующим биологически актив­ные вещества в ответ на действие сиг­налов, например гормонов.

Таким образом, основными функ­циями комплекса Гольджи являются химическая модификация, накопление, сортировка, упаковка в секреторные пузырьки и транспорт по назначению белков и липидов, синтезированных в эндоплазматическом ретикулуме. В комплексе Гольджи образуются лизосомы и синтезируются некоторые по­лисахариды.

Лизосомальная система и пероксисомы

Лизосомы – мембранные органеллы клеток животных и грибов, содержащие

гидролитические ферменты и осуществляющие гидролитическое расщепле­ние макромолекул (внутриклеточное пищеварение). Лизосомы представля­ют собой окруженные одинарной мем­браной пузырьки, размеры которых в клетках животных колеблются от 0,2 до 0,5 мкм. В лизосомах содержится не менее 60 гидролитических ферментов: протеаз, гликозидаз, липаз, нуклеаз и др., которые расщепляют все основ­ные классы органических макромоле­кул. Все ферменты лизосом активны лишь в кислой среде при значениях pH, близких 5,0. Такие значения pH дости­гаются благодаря наличию в мембране этих органелл протонных насосов. Количество лизосом в разных клетках варьирует от единич­ных до нескольких сотен, как например, в фагоцитах и остеокластах.

Согласно современным представ­лениям, формирование лизосом тесно связано с процессами эндоцитоза и мо­жет происходить разными путями.

Мембранные пузырьки, образую­щиеся в процессе пиноцитоза, теряют клатриновую оболочку и, сливаясь меж­ду собой, формируют ранние эндосомы, которые располагаются неподалеку от плазмалеммы в периферических отде­лах цитоплазмы. В случае эндоцитоза, опосредованного рецепторами, в ран­них эндосомах в условиях слабокислой среды (pH 6,0) происходит отщепление лигандов от рецепторов после чего рецепторы в составе транспортных пузырьков, отделяющихся от ранней эндосомы, доставляются в плазмалемму. Этот процесс получил название рециклирования рецепторов (от англ. recycling - возвращение). В связи с этим раннюю эндосому называют также компартментом для разделения рецепторов и лигандов.

Дальнейшее ферментативное рас­щепление макромолекул, поступивших в процессе пиноцитоза в ранние эндо­сомы, осуществляется в поздних эндо­сомах, расположенных в перинуклеарной области и имеющих, по сравнению с ранними эндосомами, более крупные размеры (диаметр 600—800 нм) и бо­лее кислое внутреннее содержимое (pH 5,5). Формирование поздних эндосом связано со слиянием их мембран с мем­бранами многочисленных гидролазных пузырьков, отшнуровывающихся от аппарата Гольджи (первичные лизосомы по старой терминологии). Кислая среда поздних эндосом способствует освобождению гидролаз от рецепторов, после чего рецепторы в составе пузырь­ков, отшнуровывающихся от поздних эндосом, рециклируют в комплекс Гольджи.

Завершающие этапы процесса вну­триклеточного переваривания веществ, поглощенных клеткой, осуществляют­ся в лизосомах, ранее называвшихся вторичными лизосомами, кислая вну­тренняя среда которых (pH 5,0 и ниже) обеспечивает максимальную фермента­тивную активность лизосомных гидро­лаз и наиболее глубокое расщепление макромолекул.

При фагоцитозе — поглощении клеткой бактерий, фрагментов клеток и других крупных корпускулярных ча­стиц — вначале образуются фагосомы, называемые также гетерофагосомами. Затем мембраны таких фагосом слива­ются с мембранами поздних эндосом или лизосом с формированием фаголизосом, которые и осуществляют про­цессы ферментативного расщепления субстратов, поглощенных клеткой.

Процесс переваривания лизосома­ми внеклеточных веществ, захваченных путем эндоцитоза, называется гетерофагией и служит основным способом пищеварения у большинства однокле­точных организмов. У многоклеточных животных гетерофагия присуща всем клеткам. В то же время фагоцитоз и формирование фаголизосом свойстве­нен лишь некоторым специализирован­ным клеткам-лейкоцитам, тканевым макрофагам и другим клеткам, способ­ным поглощать и переваривать микро­организмы и другие чужеродные для организма корпускулярные структуры. Помимо гетерофагии, в лизосомах про­текают процессы аутофагии.

Аутофагия клеточных структур, вы­работавших свой ресурс, осуществляет­ся в аутофаголизосомах, образующихся при слиянии поздних эндосом или ли­зосом с аутофагосомами — мембран­ными пузырьками, несущими структу­ры клетки, подлежащие разрушению, например митохондрии. Источником мембраны аутофагосомы, окружающей перевариваемые клеточные компонен­ты, как предполагают, служит грЭПС.

Посредством аутофагии расщепля­ются также собственные белки клетки. Этот процесс может осуществляться неспецифическим путем, когда белки окружаются мембраной и доставляют­ся в поздние эндосомы или лизосомы. Таким образом, например, разруша­ются белки при голодании и дефиците энергетических ресурсов организма. Возможно также избирательное раз­рушение белков в лизосомах. В этом случае белки транспортируются из гиа­лоплазмы в лизосомы непосредственно через мембраны лизосом с участием белков-шаперонов. Биологическое зна­чение аутофагии исключительно вели­ко. Например, в клетках печени человека в результате аутофагии в течение недели заменяется половина содержа­щихся в них молекул белков.

Лизосомы с помощью своих фер­ментов могут разрушать не только от­дельные органеллы или клетки, но и целые органы (автолиз). Например, и процессе онтогенеза лягушки с помощью ферментов лизосом лизируются хвост и жабры головастика, а образую­щиеся при этом продукты распада ис­пользуются для формирования органов взрослого животного.

В случае неполного переваривания веществ, содержащихся, в лизосомах, лизосомы превращаются в телолизосомы или остаточные тельца. Их на­копление в клетке указывает на ее ста­рение.

Пероксисомы по своему строению сходны с лизосомами, однако отличаютсяот них по выполняемым функци­ями способу образования. Пероксисомыпредставляют собой мембранные сферические или удлиненные пузырьки диаметром 0,05—1,5 мкм, во внутрен­нем содержимом (матриксе) которых с помощью электронного микроскопа выявляется более плотная сердцевина (нуклеоид), имеющая кристаллическое строение и состоящая из фибрилл и трубочек.

Количество пероксисом в клетках разного того типа широко, варьирует. Особенно многочисленны они в клетках печени человека, где пероксисомы обновляются каждые 5—6 дней.

Матрикс пероксисом содержит около 50 ферментов, состав которых в клетках разного типа значительно отличается. Наибольшее значение из указанных ферментов имеют оксидазы аминокислот и других органических соединений, пероксидаза, каталаза и некоторые ферменты синтеза плазмогенов. Пероксисомы получили свое название благодаря тому, что входящие в состав их оксидазы используют мо­лекулярный кислород для отщепления атомов водорода от некоторых орга­нических субстратов (R) с образовани­ем перекиси водорода (Н₂0₂). По этой причине пероксисомы, наряду с мито­хондриями, являются главными потре­бителями 0₂ в клетке. В общем виде ре­акция протекает следующим образом:

Пероксид, выделяющийся в ходе указанной реакции, каталаза использу­ет для окисления органических веществ, токсичных для организма человека, на­пример фенолов, муравьиной кислоты, формальдегида, этилового спирта и др. Реакция протекает по схеме:

В пероксисомах разрушается также пероксид, образующийся в митохон­дриях и других компартментах клетки, где протекают окислительные реакции. Таким образом, нейтрализация переоксида является одной из важнейших функций пероксисом.

Наряду с разрушением пероксида в пероксисомах синтезируются желч­ные кислоты, холестерин, протека­ют реакции начального этапа синтеза плазмогенов — липидов, участвующих в формировании миелиновой оболочки нервных волокон.

Образование пероксисом проис­ходит в ЭПС путем отпочковывания этих органелл от элементов гладкой эндоплазматической сети. Большая часть ферментов пероксисом синтези­руется в цитозоле на свободных рибо­сомах. Адресная доставка таких белков к пероксисомам достигается благодаря наличию в их структуре специальных сигнальных последовательностей, ко­торые распознаются белками пероксинами, встроенными в мембрану перок­сисом. Пероксисомы образуются путем почкования.