Принципы структурно-функциональной
Андреев В.П.
Принципы структурно-функциональной
Организации и биология эукариотической клетки
Для всякого живого существа
клетка является последним
морфологическим элементом,
из которого исходит всякая
жизнедеятельность – нормальная,
и патологическая»
Рудольф Вирхов
Содержание лекции
Введение
Организация плазматической мембраны
Функции плазматической мембраны
Управление ионными каналами
Цитозоль
Ядро
Эндоплазматический ретикулум
Цитоскелет
Аппарат Гольджи
Везикулы транспортные
Лизосомы
Пероксисомы
Митохондрии
Протеасомы
Межклеточные взаимодействия
Межклеточные сигнальные вещества
Органоиды клетки
Цитоскелет
Передача сигналов внутри клетки
Передача внешнего сигнала в клетку
Концепции современной цитологии
Основные хронологические вехи в изучении клетки
Введение
Эукариотическая клетка – это элементарная самовоспроизводящая живая система, обладающая способностью к обмену веществом, энергией и информацией с окружающей средой. Клетки существуют в форме самостоятельных одноклеточных организмов (амеба, малярийный плазмодий и др.) или входят в состав тканей многоклеточных организмов. В многоклеточных организмах клетки представляют собой элементы, подчиненные целостному организму. Интеграцию клеток осуществляют гуморальная, нервная и иммунная система. Для адекватной реакции на регуляторные сигналы «центра» каждая клетка обладает системой управления. Согласно взглядам В.Я. Александрова и М.Д. Голубовского клетка владеет разными видами целесообразного поведения, что у человека называется эрудиция и ум. Клеточная «эрудиция» – хранение большого набора генетических программ; клеточный «ум» – способность включать в определенных условиях соответствующую программу поведения. Например, в ответ на стресс клетки генерируют изменение своих компонентов и приступают к поиску адаптивных генетических программ поведения.
Организм человека построен приблизительно из десяти триллионов клеток, которые формируют четыре основных типа тканей: эпителиальную, соединительную, мышечную и нервную. Каждая ткань представлена многочисленными клеточными типами. К настоящему времени изучена структура и функция более 200 фенотипов клеток, приспособленных для выполнения многочисленных функций. (Открытие клеточных типов продолжается; так несколько лет назад в сетчатке глаза ученые обнаружили третий тип клеток, участвующих в формировании ритма сон-бодрствование).
В эукариотической клетке, как элементарной целостной живой системе, можно выделить четыре общебиологические эволюционно обусловленные подсистемы. К ним относятся: пограничная,представленная внешней клеточной мембраной-плазмалеммой, скелетно-двигательная (цитоскелет и сократительный аппарат), гомеостатическая (ядро и комплекс органелл) и подсистема, обеспечивающая реактивные свойства за счетрецепторно-транспортных механизмов.
Состав биомембран
Все биомембраны, несмотря на огромное разнообразие, построены однотипно; они состоят из двух слоев полярных липидных молекул, в которые встроены белки. В клеточной мембране присутствуют липиды трех главных типов – фосфолипиды, холестерол и гликолипиды. Все они являются амфипатическими, то есть обладающими двумя противоположными свойствами. Каждая молекула мембранного липида имеет заряженную гидрофильную «головку» и два незаряженных гидрофобных «хвоста». Каждый «хвост» представляет собой длинную углеводородную цепь жирной кислоты, причем у фосфолипидов одна из этих цепей – предельная, т.е. не содержит двойных связей, а вторая – непредельная имеет одну или более двойных связей. Неполярные, гидрофобные участки фосфолипидных молекул, образуемые цепями жирных кислот, обращены внутрь липидного бислоя, формируя сплошную пленку – своеобразный барьер для растворенных в воде ионов и полярных молекул. Полярные гидрофильные группы фосфолипидных молекул обращены наружу и как бы смачиваются окружающим водным раствором. Структуру такого типа называют жидкокристаллической (рис. 1).
У разных клеток состав мембранных липидов может существенно различаться. Различный липидный состав характерен и для разных мембран одной и той же клетки. Они могут включать такие липиды как фосфатидилхолин, фосфатидилэтаноламин, фосфатидилсерин, кардиолипин, триглицериды, холестерол и др., от которых в основном зависят физико-химические свойства мембран. Наиболее распространенными мембранными липидами являются производные глицерин-3-фосфата, называемые глицерофосфолипидами, в которых две гидроксильные группы глицерола замещены остатками различных или одинаковых жирных кислот. Некоторые мембраны содержат, кроме того, сахарные остатки, связанные с липидами и белками ковалентными связями. Такими углеводными остатками могут быть глюкоза, галактоза, N-ацетилгалактозамин и др.
Рис.1. Мембранные липиды. (Из кн. Кольман Я., Рём К, – Г. «Наглядная биохимия»)
Жидкий кристалл – это как бы промежуточное состояние вещества между твердым кристаллом и аморфной жидкостью: в расположении образующих его молекул есть порядок, обусловленный правильной ориентацией молекул друг относительно друга. Для образования жидких кристаллов необходимо, чтобы молекулы были длинными и узкими. Такими молекулами в плазматической мембране являются жирные кислоты.
Соотношение этих компонентов является характерным для клетки или мембраны и существенно варьирует в зависимости от типа клеток или мембран. В мембранах эритроцитов имеется производное от многоатомного аминоспирта сфингозина – церамид (рис.2). К этому липиду ферменты присоединяют разветвленные цепочки различных сахаров. Такие гликолипиды называют ганглиозидами. В настоящее время идентифицирована структура более 60-ти молекул ганглиозидов. В нервных клетках ганглиев они составляют около 6 % общей массы липидов; в других типах клеток они встречаются в меньших количествах.
Все ганглиозиды выполняют важные функции в тех или иных клетках, являясь рецепторами для медиаторов, осуществляющих связь между клетками. Ганглиозиды в эритроцитах обладают антигенными свойствами и определяют группы крови людей 0, А, В-системы. Следует отметить, что молекулы ганглиозидов нередко являются «посадочными площадками» для вирусов или бактериальных токсинов, то есть выполняют несвойственные им в норме рецепторные функции. Так, холерный токсин проникает внутрь эпителиальных клеток кишечника, присоединяясь к ганглиозиду Gм1.
Плазматическая мембрана постоянно обновляется. Это происходит за счет процессов синтеза и разрушения отслуживших окисленных гликолипидов.
Рис. 2. Структура некоторых компонентов плазматической мембраны (из кн. В. Элиот, Д. Элиот «Биохимия и молекулярная биология».
Липиды мембран синтезируются на эндоплазматической сети и переносятся в плазматическую мембрану. Процесс переноса осуществляется транспортными пузырьками. При некоторых наследственных заболевания человека ферменты, необходимые для разрушения этих гликолипидов, оказываются дефектными, и клетка не может расщеплять гликолипиды. Это приводит к их накоплению в клетке, и, в конце концов, к гибели клетки. Заболевания, вызванные неспособностью клетки к расщеплению сложных гликолипидов, называются мукополисахаридозами.
Текучесть мембран зависит от липидного состава и температуры окружающей среды. Существенное значение для структуры клеточных мембран имеют полиненасыщенные (с двойными связями между углеродными атомами) жирные кислоты (ПНЖК). В промежутках между изгибами ПНЖК располагается спирт холестерол (холестерин). Он предотвращает кристаллизацию мембраны или переход в гель, придавая им текучесть. Однако полиненасыщенные жирные кислоты не синтезируются в организме человека и высших животных, поэтому их поступление с пищей необходимо для правильной деятельности клеточных мембран. Отсутствие ПНЖК приводит к тяжелым общим расстройствам, провалам памяти, выпадению волос, шелушению кожи. (Источниками ПНЖК являются растительные масла, не подвегнувшиеся термической обработке и рыба холодных морей).
Специфические функции биологических мембран осуществляются главным образом белками. Типы белков и их количества в мембране отражают ее функцию. Так в плазматической мембране белки составляют приблизительно 50% от ее массы, а в мембране митохондрии – 75%. По своей функциональной роли мембранные белки разделяются на ферментативные, транспортные и регуляторные. Но такое разделение носит только условный характер, поскольку, например, ионный канал может одновременно участвовать во всех этих функциях.
Большинство мембранных белков являются интегральными. Эти протеины или погружены в толщу липидного слоя, или пронизывают мембрану насквозь (трансмембранные белки). Они удерживаются в билипидном слое за счет нековалентных связей. Их гидрофильные аминокислоты взаимодействуют с фосфатными группами фосфолипидов, а гидрофобные – с цепями жирных кислот. Между белками и жирными кислотами могут возникать ковалентные связи. Для интегральных белков некоторых клеток характерна латеральная подвижность; они могут перераспределяться в мембранах в результате взаимодействия с периферическими белками, элементами цитоскелета, молекулами в мембране соседней клетки и компонентами внеклеточного матрикса. Кроме того, выделяют так называемые периферические белки, молекулы которых не встроены в мембрану, а за счет слабых взаимодействий удерживаются на ее поверхности. Периферические мембранные белки (фибриллярные, глобулярные) находятся как на наружной, так и внутренней поверхности мембраны и нековалентно – за счет водородных, гидрофобных, электростатических взаимодействий – связаны с интегральными мембранными белками. К периферическим белкам внутренней поверхности мембраны относятся белки цитоскелета (например, анкирин от лат. аnkir – якорь), которые обеспечивают механическую связь мембран с цитоскелетом (микрофиламентами и микротрубочками), семейство G-белков (гуанозинтрифосфатаз), посредством которых активируется фермент аденилатциклаза и мн. др.
Примером периферического белка наружной поверхности мембраны является фибронектин. Этот гликопротеин локализован на наружной поверхности мембраны почти всех клеток. Фибронектин обеспечивает прикрепление клеток к другим клеткам, а также способствует соединению клетки с внеклеточным матриксом. Отмечено резкое снижение содержания фибронектина в мембранах опухолевых клеток; это придает им большую подвижность и способствует метастазированию. Белки и некоторые липидные молекулы, расположенные на наружной стороне плазматической мембраны, несут ковалентно связанные углеводные компоненты – олигосахариды (рис3).
Эти гликопротеины и гликолипиды вместе с дополнительными несвязанными с мембраной гликопротеинами и полисахаридами образуют клеточную оболочку – гликокаликс. Гликокаликс, покрывающий микроворсинки каемчатых клеток эпителия кишечника, содержит ферменты, завершающие расщепление белков, углеводов (пристеночное пищеварение). Однако основные функции гликокаликса – межклеточное узнавание и межклеточные взаимодействия.
Рис.3. Структура плазматической мемраны. (Из кн. Кольман Я., Рём К, – Г. «Наглядная биохимия»)
Углеводные остатки гликопротеинов и гликолипидов наружной мембраны клетки обладают специфическими антигенными свойствами. Все клетки одного организма несут сходные поверхностные антигены, которые отличаются от поверхностных антигенов клеток любого другого организма. Это свойство используется иммунной системой для разделения всех клеток «на свои» и «чужие». Успех переливания крови или трансплантации другой ткани во многом определяют антигены групп крови 0, А, В-системы. Их антигенные свойства обусловлены структурой углеводных остатков гликолипидов на поверхности эритроцитов. (Схема строения ганглиозидов, определяющих IV, III, II и I-ю группы крови 0, А, В-системы представлена на рис. 4-7.)
Кроме этих антигенов индивидуальную поверхность клеток определяют так называемые трансплантационные антигены или антигены гистосовместимости. В этом случае антигенами служат полипептидные цепи группы трансмембранных белков. Эти белки-антигены кодируются в геноме млекопитающих многими генами, так называемого главного комплекса гистосовместимости. Бóльшая часть Т-лимфоцитов узнает чужеродные антигены только в том случае, если эти антигены ассоциированы на клеточных поверхностях с антигенами главного комплекса гистосовместимости.
Антигéны главного комплекса гистосовместимости (ГКГ) или антигены МНС(англ. major histocompatibility complex, произносят как эм, эйч, си) – семейство антигенов, определяющих отторжение чужеродного трансплантата, т.е. тканевую несовместимость. У человека они впервые были выявлены в лейкоцитах и поэтому получили название HLA (англ. human leucocyte antigen, произносят как эйч, эль, эй). Существует два основных класса антигенов (молекул) ГКГ:антигены ГКГ класса I и антигены ГКГ класса II. Все они являются мембранными гликопротеинами (рис. 8).
Рис. 4. Схема связи остатков сахаров с наружной мембраной эритроцита у людей с IV (АВ) группой крови0, А, В-системы.
Ген Lewis, доминантный ген-секретор, ген-А, ген-В кодируют ферменты-трансферазы, переносящие и присоединяющие остатки сахаров. При наличии гена А или В, и рецессивного гена-секретора в гомозиготном состоянии антигены А и В не образуются (бомбейский феномен).
Примечание: Отличительной особенностью антигена Н является наличие его в биологических жидкостях секреторов групповых веществ и отсутствие – у несекреторов. Антиген 0, в отличие от антигена Н, А и В, с секретами (слюна, сперма) не выделяется.
Рис. 5. Схема связи остатков сахаров с наружной мембраной эритроцита у людей с III (В) группой крови0, А, В-системы.
Функции мембран
1. Ограничение и обособление клеток и органелл. Обособление клеток от межклеточной среды обеспечивается плазматической мембраной, защищающей клетки от механического и химического воздействий.
2. Контролируемый транспорт метаболитов и ионов через поры и посредством переносчиков определяет внутреннюю среду, что существенно для гомеостаза, т.е. поддержания постоянной концентрации метаболитов и неорганических ионов, и других физиологических параметров.
3. Восприятие внеклеточных сигналов и их передача внутрь клетки, а также инициация сигналов.
4. Ферментативный катализ. В мембранах локализованы наиболее важные реакции энергетического обмена, такие, как окислительное фосфорилирование.
5. Контактное взаимодействие с межклеточным матриксом и взаимодействие с другими клетками при образовании тканей.
6. Заякоривание цитоскелета, обеспечивающее поддержание формы клеток и органелл и клеточной подвижности.
7. 
8.
Основная функция наружной клеточной мембраны – сохранение внутренней среды клетки. При участии плазматической мембраны происходит узнавание и агрегация, как соседних клеток, так и клеток с компонентами внеклеточного матрикса. Формирование клеточной поверхности, которая способна к узнаванию других клеток, контакту с ними и восприятию разнообразных раздражителей, воздействующих на клетку, обеспечивается, прежде всего, углеводными группами, входящими в состав гликопротеидов клеточной мембраны.
Свойства мембраны
1.Текучесть. В процессе жизнедеятельности мембраны клетки подвергаются значительным изменениям. Этот процесс возможен благодаря подвижности и динамичности молекул, составляющих мембрану. «Дрейф» компонентов в латеральной плоскости мембраны происходит достаточно легко; это наблюдается при группировке рецепторов, фагоцитозе и др. процессах эндоцитоза и экзоцитоза. Переход белков с внешней стороны мембраны на ее внутреннюю сторону («флип–флоп») невозможен, а переход липидов происходит крайне редко. Для «перескока» липидов и их переноса из одного слоя мембраны в другой необходимы специальные белки транслокаторы. Холестерин может легко переходить с однго слоя мембраны на другой, а незаряженные липиды могут проходить через мембрану.
2. Асимметрия. Все мембраны клетки имеют асимметричную организацию, для поддержания которой существуют специальные механизмы. Так фосфолипид фосфатидилсерин, несущий отрицательный заряд, концентрируется в основном на внутреннем слое мембраны, а гликолипиды (ганглиозиды, цереброзиды) – исключительно в наружном слое мембраны.
3. Полярность. Внутренняя поверхность мембраны (обращенная к цитоплазме) в нормальных условиях жизнедеятельности всегда заряжена отрицательно по отношению к внешней среде. Разность потенциалов между внутренней и внешней поверхностями составляет для разных типов клеток от 4 до 100 милливольт (мВ). Для нервных клеток эта величина, которую называют потенциалом покоя, равна примерно 70-75мВ. Раздражители или факторы, которые гиперполяризуют мембрану, обладают положительным биологическим действием. Существует множество факторов, при воздействии которых на клетку происходит снижение мембранного потенциала ниже уровня потенциала покоя. Следует отметить, что все наркотики и, в частности, алкоголь в первой стадии вызывают развитие гиперполяризационных процессов в нервной системе (возможно, в этом кроется одна из причин наркотической и алкогольной зависимости), а затем наступает длительная деполяризация, истощение и разрушение нервных клеток. Организм должен избегать раздражителей, постоянно деполяризующих мембраны его клеток, поскольку это грозит гибелью.
4. Избирательная проницаемость.Это свойство обеспечивает обмен веществ между клеткой и внешней средой. Процесс прохождения веществ через клеточную мембрану называют трансмембранным транспортом (переносом) веществ; он лежит в основе процессов поддержания клеточного гомеостаза, оптимального содержания в клетке ионов, воды, ферментов и субстратов. Трансмембранный перенос мелких молекул осуществляется путем диффузии и путем активного транспорта. Трансмембранный перенос крупных молекул происходит в форме эндоцитоза, экзоцитоза и трансцитоза.
Активный транспорт
При активном транспорте перемещение вещества происходит против его концентрационного градиента (от лат. gradus – ступень). В связи с этим этот вид трансмембранного переноса веществ нуждается во внешнем источнике энергии. Таким источником служит гидролиз АТФ.
Примером системы активного транспорта может служить так называемый Na+/K+-насос в клеточных мембранах животных клеток. Этот насос иначе называется Na+/K+ АТФазой, поскольку выкачивание из клетки натрия и закачивание в нее калия сопряжено с гидролизом АТФ до АДФ. Благодаря работе этого насоса в клетках поддерживается высокая концентрация ионов калия (140мМ) и низкая – ионов натрия (12мМ), между тем как в крови и межклеточной жидкости соотношение этих концентраций – обратная. Работа Na+/K+ насоса создает разность потенциалов в 50-70мB (плюс – снаружи плазматической мембраны, минус – внутри).
Трансмембранный Na+-градиент, создаваемый Na+/K+ АТФазой, есть не что иное, как форма запасания энергии. Эта энергия рассеивается в виде тепла, если ионы натрия диффундируют в клетку. Однако в некоторых клетках существуют белки, ответственные за совместный перенос ионов натрия с другими молекулами, например, глюкозой, аминокислотами. При этом глюкоза и аминокислоты двигаются против собственного концентрационного градиента. Такой механизм одновременного переноса функционирует при всасывании аминокислот и глюкозы в кишечнике.
Натрий-калиевый насос – интегральный мембранный белок, состоящий из двух субъединиц. Каталитическая субъединица αгидролизует АТФ, гликопротеин β является структурным элементом. Na+/K+ насос регулирует потоки воды, поддерживая постоянный объем клетки; обеспечивает Na+- связанный транспорт множества органических и неорганических молекул; участвует в генерации потенциала действия нервных и мышечных элементов. На поддержание ионных градиентов животные тратят около трети расходуемой энергии.
Наряду с Na+/K+-насосом существуют и другие АТФазы. Например, протонная и калиевая АТФаза участвует в образовании соляной кислоты в париетальных клетках желудка.Протонная АТФаза перекачивает протоны (Н+) из цитоплазмы в лизосомы, где создается кислая среда. Ca2+-АТФаза мышц откачивает ионы кальция из цитоплазмы в полости гладкой эндоплазматической сети, именуемой в скелетных мышечных волокнах и кардиомиоцитах саркоплазматической сетью (лат. sarcos – мясо). Недостаточность этого насоса проявляется симптомами мышечной усталости при физической нагрузке (Миопатия Броди). Это проявляется в виде частых судорог.
Рис. Схема механизма регуляции транспорта ионов хлора сквозь клеточную мембрану. Если к белку присоединена фосфатная группа, канал – открыт, когда фосфатная группа отщепляется, канал закрывается. (Из кн. Д. Кларк, Л.. Рассел «Молекулярная биология», 2004..)
Белок, который кодируется геном кистозного фиброза, называется транспортер кистозного фиброза (ТрКФ) и находится в клеточной мембране, где его молекулы формируют канал для ионов хлора. У здоровых людей этот канал может быть открыт или закрыт в зависимости от нужд клетки. У некоторых людей наблюдается нарушение контроля проницаемости ионов хлора сквозь клеточные мембраны. Это, в свою очередь, влияет на множество других процессов. Наиболее вредным является то, что слизь, которая выстилает и защищает легкие, становится ненормально густой. (Нехватка ионов хлора приводит к недостатку воды, которая разжижает слизь.) Клетки, которые выстилают воздухоносные пути легких, погибают и заменяются фиброзной рубцовой тканью, отсюда и название болезни – кистозный фиброз. В конце концов, пациент погибает от нарушения дыхания. Эта болезнь – результат гомозиготных рецессивных мутаций. Примерно один из 2000 белых детей страдают кистозным фиброзом.
Эндоцитоз
Эндоцитоз – это везикулярный перенос жидкостей, макромолекул или небольших частиц и микроорганизмов (вирусов, бактерий) в клетку. Существует, по крайней мере, три механизма эндоцитоза:
1. Пиноцитоз – («клеточное питье»).
2. Рецепторно-опосредованный эндоцитоз или клатрин-зависимый эндоцитоз.
3. Фагоцитоз – («клеточная еда»).
Пиноцитоз – это конститутивный (постоянный) процесс поглощения жидкости и растворенных веществ с образованием небольших пузырьков. (Название пиноцитоз происходит от греческих слов «pineo» – пить и «kytos – клетка»). Эти пузырьки переносят небольшие молекулы, воду и растворимые белки, то есть вещества, относящиеся к жидкой фазе внеклеточной среды. Благодаря такому процессу клетки могут поглощать как крупные молекулы, так и ионы, неспособные проникнуть через мембрану.
В цитоплазме клетки многие пиноцитозные пузырьки сливаются друг с другом и формируют ранние эндосомы, которые смещаются в глубь клетки и сливаются с лизосомами; в их полости начинается разрушение веществ. Несмотря на маленькие размеры пиноцитозных пузырьков, их многочисленность позволяет им доставлять в клетку большое количество веществ. Иногда эти пузырьки представляют собой крупные макропиноцитозные образования, создающие складчатость плазматической мембраны. Некоторые микроорганизмы стимулируют образовние подобных складок, что обеспечивает их проникновение в клетку. Пиноцитоз может быть очень интенсивным процессом; в некоторых клетках вся плазматическая мембрана поглощается и восстанавливается за один час. Особенно интенсивно пиноцитоз протекает в эндотелиальных клетках кровеносных капилляров. Путем пиноцитоза вещества попадают из тканевой жидкости в просвет кровеносных капилляров.
Опосредуемый рецепторный эндоцитоз характеризуется поглощением из внеклеточной жидкости конкретных макромолекул. Для этой цели клетка экспрессирует на свою поверхность специфические поверхностные рецепторы, что обеспечивает избирательное связывание молекул во внеклеточном растворе. Рецепторы, способные связывать лиганд (специфическую сигнальную молекулу), накапливаются в специфических участках поверхности клетки, называемых окаймленными ямками. Поверхность этих небольших углублений покрыта с цитозольной стороны плазматической мембраны белком клатрином. При сязывании лиганда с рецептором под плазматической мембраной формируется пузырек – ранняя эндосома, содержащий комплекс лиганд-рецептор, покрытый снаружи клатрином. Белок клатрин предотвращает слияние эндосом с лизосомами и переваривание лиганда ферментом. В пузырьках такого типа лиганд доставляется в различные отделы в пределах одной клетки или переносится в другой слой клеток. Такой тип переноса называют трансцитозом.
Известны четыре типа трансцитоза. При первом типе – рецептор возвращается в плазматическую мембрану, а лиганд разрушается (инсулин, липопротеиды низкой плотности, некоторые вирусы и др.). При втором типе – рецептор возвращается и лиганд возвращается (белок, переносящий железо и др.). Третий тип трансцитоза характеризуется разрушением лиганда и рецептора (эпидермальный фактор роста и др.). Механизм четвертого типа связан с транспортом и лиганда и рецептора. Например, трансцитозом материнские антитела переносятся в клетки молочной железы, а затем у новорожденного из молока они проходят через эпителий кишечника и попадают в лимфатические протоки и кровь.
Нарушения различных типов рецепторно-опосредованного эндоцитоза сопровождаются серьезными заболеваниями человека. Семейная гиперхолестеролемия является примером неполноценного трансцитоза первого типа. Эта болезнь обусловлена различными мутациями гена рецптора липопротеида низкой плотности (ЛНП), который присутствует в большинстве клеток организма и обеспечивает поступление пищевого холестерола в в клетку. Холестерол необходим для синтеза клеточных мембран, биоснтеза стероидных гормонов и др. молекул. Нарушение транспорта ЛНП, в составе которых холестерол попадает в клетку, сопровождается накоплением ЛНП в плазме крови, что приводит к образованию атеросклеротических бляшек в сосудах.
Фагоцитоз (греч. fageo – пожирать) – поглощение крупных частиц (микроорганизмов, остатков разрушающихся клеток и др.). К фагоцитозу способны все клетки, но наиболее активно фагоцитоз осуществляют профессиональные фагоциты (моноциты, макрофаги, нейтрофилы). Эпителиальные клетки и фибробласты также способны к фогоцитозу. В ходе фагоцитоза образуются большие эндоцитозные пузырьки – фагосомы. Фагосомы сливаются с лизосомами и формируют фаголизосомы, в которых происходит переваривание поглощенного материала. Многие паразиты (туберкулезная палочка, токсоплазма и др.) обладают способностью перестраивать мембрану фагосомы, благодаря чему фаголизосома не образуется и фагоцитоз не завершается. Фагоцитоз является очень сложным многоэтапным процессом. Фагоцитоз, в отличие от пиноцитоза, индуцируют сигналы, воздействующие на рецепторы в плазмалемме фагоцитов. Чаще всего такими сигналами являются антитела покрывающие частицу, например, бактерию (рис. 9), подвергающуюся фагоцитозу. Для фагоцитоза обычно требуется полимеризация актина. Этот процесс запускается при взаимодействии молекул частицы с поверхностным рецептором клетки.
Фагоцитоз представляет собой ключевой механизм защиты организма-хозяина от микроорганизмов. Доказательством большого значения фагоцитоза являются случаи, когда при нарушении этого процесса даже маловирулентные микробы вызывают септические состояния (sepsis – гниение). Это, например, бывает когда в фагоцитах не образуется Н2О2 и не выделяется кислородный радикал О2-, необходимый для бактериолиза внутри фагоцитов, а также при недостаточности фермента НАДН-зависимой оксидазы. Этот дефект наследуется рецессивно, он сцеплен с Х-хромосомой. Фагоцитоз поврежденных или постаревших клеток необходим для обновления ткани и заживления ран.
Рис. 9. Электронная микрофотография лейкоцита, поглощающего посредством фагоцитоза бактерию, которая находится в процессе деления (Фото из книги: Молекулярная биология клетки, том II).
Экзоцитоз
Экзоцитоз – перенос частиц и крупных соединений из клетки. Наиболее распространенный способ экзоцитоза – секреция. Это такое выведение из клетки растворимых соединений, которое является одной из функций данной клетки. Специализированные клетки хранят секретируемые молекулы (пищеварительные ферменты, гормоны, нейротромедиаторы) в пузырьках, расположенных вблизи плазматической мембраны. При получении внешнего сигнала происходит слияние пузырьков с плазматической мембраной и освобождение их содержимого. Такой процесс называют стимулированной секрецией. Реже секреция совершается по типу облегченной диффузии или активного транспорта. (Например, секреция ионов Н+ в желудке и канальцах почки).
Удаление из клетки твердых частиц называют экскрецией. При такой форме экзоцитоза удаляемые частицы оказываются в цитоплазматическом пузырьке, который затем сливается с плазмолеммой.
В клетках иммунной системы осуществляется рекреция – перенос твердых веществ через клетку. При этом процессе с одной стороны клетки происходит фагоцитоз, а с другой – экскреция. Так специализированные макрофаги (дендритные клетки, клетки Лангерганса и др.) локализованные в слизистых оболочках и коже захватывают бактериальные клетки, разрушают их до мелких обломков и представляют (презентируют) эти антигены иммуннокомпетентным лимфоцитам.
Ядро
Ядро(лат. nucleus, греч. karyon) – наиболее крупная (диаметром около 10 мкм) видимая в световой микроскоп органелла эукариотической клетки. При микроскопии большинства тканей ядро часто выглядит как крупная округлая или овальная (или другой формы) структура, расположенная чаще всего вблизи центра клетки. Однако в клетках некоторых тканей оно имеет специфическое расположение и строение; в связи с этим некоторые морфологи образно называют ядро «гербом ткани».
Структурные компоненты ядра: ядерная оболочка, ядерный белковый матрикс, ядерный сок, хромосомы, связанные с хромосомами ядрышки.
Ядерная оболочка – двойная мембранная структура, которая окружает нуклеоплазму и изолирует центральные генетические процессы – репликацию ДНК и синтез РНК – от рибосом цитоплазмы, где происходит синтез белка. Область между двумя ядерными мембранами называется перинуклеарным пространством. Внешняя ядерная мембрана несет рибосомы и переходит в шероховатый эндоплазматический ретикулум (лат. reticulum – сеть). Внутренняя поверхность внутренней мембраны имеет тонкую пластинку – ламину, построенную из крупных нитевидных белков (ламина А и ламина В), которая играет ключевую роль в поддержании структурной целостности мембраны. Матрикс ядра включает ламину и внутриядерную фибриллярную сеть. К ламине и внутриядерной фибриллярной сети крепятся хромосомы, а таже разнообразные ферменты и регуляторные белки.
Нуклеоплазма (ядерный сок) – жидкое или гелеобразное вещество, в которое погружены хромосомы и ядрышко.
Обмен макромолекул между ядром и цитоплазмой осуществляется через ядерные поры, образованные белковым комплексом. Этот комплекс – основные ворота для веществ, которые постоянно перемещаются внутрь ядра и из него. Например, матричная РНК (мРНК), субъединицы рибосом, гистоны, рибосомные белки, факторы транскрипции, а также ионы и мелкие молекулы быстро обмениваются между ядром и полостью эндоплазматического ретикулума или цитозолем.
Рис. Комплекс ядерной поры, реконструированный на основе протеомного анализа (изучения структуры белков) порового комплекса.
Ядерный поровый комплекс (ЯПК) формирует цилиндр, приблизительно 120нм в диаметре и 50нм толщиной, состоящий из 16 субъединиц. Каждая субъединица содержит около 30 различных белков. Ядерный поровый комплекс состоит из центральной части – транспортера, через который и проходят молекулы, а также периферических частей. В сторону цитоплазмы от поры отходят филаменты, функция которых состоит в обеспечении связывания и транспортировки макромолекул со стороны цитоплазмы к корзине ядра на ядерной стороне поры. В ядре периферический отдел образует баскет-структуру (структуру, похожую на корзину).
В мембране ядра насчитывается около 5000 поровых комплексов. Во время деления клетки оболочка ядра не «растворяется», а разбирается и превращается в компоненты эндоплазматического ретикулума, а поры становятся отдельными белковыми компонентами, которые уходят в глубь клетки. Новые поровые комплексы формируются из так называемых окончатых мембран. Они представляют собой часть эндоплазматического ретикулума и состоят из гладких цистерн и пороподобных комплексов, морфологически и биохимически сходных с ядерными поровыми комплексами.
Хромосóмы
В ядре расположена почти вся ДНК. Эта ДНК является носителем генетической информации и главным местом ее репликации (удвоения) и экспрессии (работы) генов. Эукариотная ДНК хранится на хромосомах (греч. chroma – цвет, окраска, soma – тело).
Хромосóмы – главные структурно-функциональные элементы клеточного ядра, в которых находятся расположенные в линейном порядке гены, обеспечивающие хранение и воспроизведение генетической информации. Каждая хромосома содержит одну молекулу ДНК. Эти молекулы существенно различаются по размеру. Они могут быть длиной от одного до нескольких сантиметров, а размер ядра в поперечнике – 5-10 микрон, поэтому хромосомы в ядре рассредоточены упорядоченным образом и каждая из них прикреплена к мембране ядра в строго определенном месте. Строение хромосом зависит от периода жизненного цикла.
В интерфазе (фазе между делениями клетки) хромосомы максимально деконденсированы (деспирализованы), индивидуально неразличимы и занимают весь объем ядра, образуя так называемый хроматин. Хроматúнпредставляет собойупакованную ДНК, ассоциированную с гистоновыми и негистоновыми белками. Плотность хроматина в разных участках ядра неодинакова – слабо окрашенные неконденсированные участки перемежаются с интенсивно ок<