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, ко­торые, обменивая находящиеся внутри компартмента ионы Na⁺ на ионы Н⁺, создают тем самым внутри лизосом кислую среду, оптимальную для дей­ствия лизосомных гидролаз. Мембра­ны лизосом обладают высокой устой­чивостью к действию гидролаз, что обусловлено большим содержанием в мембране гликопротеинов. Благодаря наличию в мембране органелл белков-переносчиков низкомолекулярные со­единения, образующиеся в процессе переваривания, из лизосом переносят­ся в гиалоплазму. 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, в ходе ко­торых белки клеток, а также клеточные структуры, выработавшие свой ресурс, или продукты их распада разрушаются до простейших органических соедине­ний, способных вступать в разнообраз­ные реакции обмена веществ.

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.

Система энергообеспечения

Митохондрии — крупные мембран­ные органоиды клетки, которые можно различить в световой микроскоп. Мито­хондрии присутствуют во всех эукарио­тических клетках человека, кроме эри­троцитов и кератиноцитов. Они имеют обычно округлую, удлиненную или нитевидную формы. Иногда, например, в мышечных волокнах, митохондрии ветвятся, образуя сложные трехмер­ные структуры. Количество митохондрий в клетке колеблется в широких пределах (от 1 до 100 тыс. и более) и зависит от потребностей клетки в энер­гии. Митохондрии имеют наружную и внутреннюю мембраны, между кото­рыми располагается узкое (10—20 нм) перимитохондриалъное пространство.

На внутренней поверхности увеличенного фрагмента кристы видны небольшие выпуклости, обращенные в митохондриальный матрикс, которые содержат ферментные системы, обес­печивающие процессы дыхания. На­ружная мембрана гладкая и по своему составу сходна с плазмалеммой. Она содержит большое количество белка-порина, формирующего водные кана­лы, и проницаема для ионов, амино­кислот, нуклеотидов, сахаров и других малых молекул. В ней располагаются мультиферментные комплексы синтеза ацетилкофермента А и фосфолипазы, а также моноаминооксидазы. Внутрен­няя мембрана ограничивает полость митохондрий — митохондриальный ма­трикс — и образует кристы, направленные внутрь впячивания.

На кристах имеются грибовидные выро­сты — оксисомы или F₁-частицы, в ко­торых локализуется мультиферментная система АТФ-синтетаза.

В состав внутренней мембраны вхо­дит фосфолипид — кардиолипин, де­лающий ее непроницаемой для ионов, в том числе для протонов. Во внутрен­нюю мембрану встроены ферментные системы транспорта электронов, АТФ-синтетазный ферментный комплекс; а также транспортные белки, регулиру­ющие транспорт метаболитов в матрикс и из него. В матриксе содержатся коль­цевые молекулы митохондриальной ДНК (мтДНК), различные включения, а также молекулы мРНК, транспорт­ной РНК (тРНК) и рибосомы, сходные по строению с рибосомами бактерий. Здесь же располагаются ферменты, пре­вращающие пируват и жирные кислоты в ацетил-КоА, и ферменты реакций цикла Кребса.

Митохондриальная ДНК имеет не линейную, как в хромосомах ядра, а кольцевую фор­му. Она кодирует примерно 5% всех белков митохондрий. Остальные 95% митохондриальных белков кодируются ядерной ДНК и синтезируются на сво­бодных рибосомах в цитоплазме клетки. Главная функция митохондрий — синтез АТФ,основного источника энергии для обеспечения жизнедеятельности клетки. Поэтому митохондрии на­зывают «энергетическими станциями» метки. К побочным функциям митохондрий относятся синтез некоторых аминокислот (глутаминовой аминокис­лоты, цитруллина), стероидных гормо­нов,а также активное накопление ионов Са²⁺. Большую роль митохондрии игра­ют и процессах апоптоза.

Образуются митохондрии путем де­ления надвое, внутреннего и наружного почкования.