Клетка. Органеллы общего и специального назначения. Их структура и функция

1. Клетка. Органеллы общего и специального назначения. Их структура и функция. 
    
   Клетка представляет собой обособленную, наименьшую по размерам структуру, которой присуща вся совокупность свойств жизни и которая может в подходящих условиях окружающей среды поддерживать эти свойства в самой себе, а также передавать их в ряду поколений. Клетка, таким образом, несет полную характеристику жизни. Вне клетки не существует настоящей жизнедеятельности. Поэтому в природе планеты ей принадлежит роль элементарной структурной, функциональной и генетической единицы. 
   Это означает, что клетка составляет основу строения, жизнедеятельности и развития всех живых форм -- одноклеточных, многоклеточных и даже неклеточных. Благодаря заложенным в ней механизмам клетка обеспечивает обмен веществ, использование биологической информации, размножение, свойства наследственности и изменчивости, обусловливая тем самым присущие органическому миру качества единства и разнообразия. 
   Выделяют органеллы общего значения и специальные. К ним относят, например, микроворсинки всасывающей поверхности эпителиальной клетки кишечника, реснички эпителия трахеи и бронхов, синаптические пузырьки, транспортирующие вещества - переносчики нервного возбуждения с одной нервной клетки на другую или клетку рабочего органа, миофибриллы, от которых зависит сокращение мышцы. 
   К органеллам общего значения относят элементы канальцевой и вакуолярной системы в виде шероховатой и гладкой цитоплазматической сети, пластинчатый комплекс, митохондрии, рибосомы и полисомы, лизосомы, пероксисомы, микрофибриллы и микротрубочки, центриоли клеточного центра. В растительных клетках выделяют также хлоропласты, в которых происходит фотосинтез [5 с. 98]. 
   Канальцевая и вакуолярная системы образованы сообщающимися или отдельными трубчатыми или уплощенными (цистерна) полостями, ограниченными мембранами и распространяющимися по всей цитоплазме клетки. Нередко цистерны имеют пузыревидные расширения. В названной системе выделяют шероховатую и гладкую цитоплазматическую сети. Особенность строения шероховатой сети состоит в прикреплении к ее мембранам полисом. В силу этого она выполняет функцию синтеза определенной категории белков, преимущественно удаляемых из клетки, например секретируемых клетками желез. В области шероховатой сети происходит образование белков и липидов цитоплазматических мембран, а также их сборка. Плотно упакованные в слоистую структуру цистерны шероховатой сети являются участками наиболее активного белкового синтеза и называются эргастоплазмой. 
   Мембраны гладкой цитоплазматической сети лишены полисом. Функционально эта сеть связана с обменом углеводов, жиров и других веществ небелковой природы, например стероидных гормонов (в половых железах, корковом слое надпочечников). По канальцам и цистернам происходит перемещение веществ, в частности секретируемого железистой клеткой материала, от места синтеза в зону упаковки в гранулы. В участках печеночных клеток, богатых структурами гладкой сети, разрушаются и обезвреживаются вредные токсические вещества, некоторые лекарства (барбитураты). В пузырьках и канальцах гладкой сети поперечно-полосатой мускулатуры сохраняются (депонируются) ионы кальция, играющие важную роль в процессе сокращения. 
   Рибосома - это округлая рибонуклеопротеиновая частица диаметром 20--30 нм. Она состоит из малой и большой субъединиц, объединение которых происходит в присутствии матричной (информационной) РНК (мРНК). Одна молекула мРНК обычно объединяет несколько рибосом наподобие нитки бус. Такую структуру называют полисомой. Полисомы свободно располагаются в основном веществе цитоплазмы или прикреплены к мембранам шероховатой цитоплазматической сети. В обоих случаях они служат местом активного синтеза белка. Сравнение соотношения количества свободных и прикрепленных к мембранам полисом в эмбриональных недифференцированных и опухолевых клетках, с одной стороны, и в специализированных клетках взрослого организма--с другой, привело к заключению, что на полисомах гиалоплазмы образуются белки для собственных нужд (для «домашнего» пользования) данной клетки, тогда как на полисомах гранулярной сети синтезируются белки, выводимые из клетки и используемые на нужды организма (например, пищеварительные ферменты, белки грудного молока). 
   Пластинчатый комплекс Гольджи образован совокупностью диктиосом числом от нескольких десятков (обычно около 20) до нескольких сотен и даже тысяч на клетку. 
   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. В пластинчатом комплексе образуются секреторные пузырьки или вакуоли, содержимое которых составляют белки и другие соединения, подлежащие выводу из клетки. При этом предшественник секрета просекрет), поступающий в диктиосому из зоны синтеза, подвергается в ней некоторым химическим преобразованиям. Он также обособляется (сегрегируется) в виде «порций», которые здесь же одеваются мембранной оболочкой. В пластинчатом комплексе образуются лизосомы. В диктиосомах синтезируются полисахариды, а также их комплексы с белками (гликопротеины) и жирами (гликолипиды), которые затем можно обнаружить в гликокаликсе клеточной оболочки. 
   Митохондрии - это структуры округлой или палочковидной, нередко ветвящейся формы толщиной 0,5 мкм и длиной обычно до 5--10 мкм. 
   Оболочка митохондрии состоит из двух мембран, различающихся по химическому составу, набору ферментов и функциям. Внутренняя мембрана образует впячивания листовидной (кристы) или трубчатой (тубулы) формы. Пространство, ограниченное внутренней мембраной, составляет матрикс органеллы. 
   Главная функция митохондрии состоит в ферментативном извлечении из определенных химических веществ энергии (путем их окисления) и накоплении энергии в биологически используемой форме (путем синтеза молекул аденозинтрифосфата -- АТФ). В целом этот процесс называется окислительным фосфорилированием. В энергетической функции митохондрии активно участвуют компоненты матрикса и внутренняя мембрана. Именно с этой мембраной связаны цепь переноса электронов (окисление) и АТФ-синтетаза, катализирующая сопряженное с окислением фосфорилирование АДФ в АТФ. Среди побочных функций митохондрии можно назвать участие в синтезе стероидных гормонов и некоторых аминокислот (глутаминовая). 
   Лизосомы представляют собой пузырьки диаметром обычно 0,2--0,4 мкм, которые содержат набор ферментов кислых гидролаз, катализирующих при низких значениях рН гидролитическое (в водной среде) расщепление нуклеиновых кислот, белков, жиров, полисахаридов. Их оболочка образована одинарной мембраной, покрытой иногда снаружи волокнистым белковым слоем (на электронограммах «окаймленные» пузырьки). Функция лизосом-внутриклеточное переваривание различных химических соединений и структур. 
   Первичными лизосомами (диаметр 100 нм) называют неактивные органеллы, вторичными - органеллы, в которых происходит процесс переваривания. Вторичные лизосомы образуются из первичных. Они подразделяются на гетеролизосомы (фаголизосомы) и аутолизосомы (цитолизосомы). В первых переваривается материал, поступающий в клетку извне путем пиноцитоза и фагоцитоза, во вторых разрушаются собственные структуры клетки, завершившие свою функцию. Вторичные лизосомы, в которых процесс переваривания завершен, называют остаточными тельцами (телолизосомы). В них отсутствуют гидролазы и содержится непереваренный материал. 
   Микротельца составляют сборную группу органелл. Это ограниченные одной мембраной пузырьки диаметром 0,1 --1,5 мкм с мелкозернистым матриксом и нередко кристаллоидными или аморфными белковыми включениями. К этой группе относят, в частности, пероксисомы. Они содержат ферменты оксидазы, катализирующие образование пероксида водорода, который, будучи токсичным, разрушается затем под действием фермента пероксидазы. Эти реакции включены в различные метаболические циклы, например в обмен мочевой кислоты в клетках печени и почек. В печеночной клетке число пероксисом достигает 70-100. 
   К органеллам общего значения относят также некоторые постоянные структуры цитоплазмы, лишенные мембран.

Органоиды специального значения. Присутствуют только в специализированных клетках отдельных типов. К ним  отнесены реснички, жгутики, микроворсинки, микрофибриллы и др. 
 
Реснички и жгутики представляют собой выросты цитоплазмы, в которьрс находится осевая нить, или аксонема. Последняя представляет собой каркас из микротрубочек, Длина ресничек может составлять 2-10 нм, а их количество на поверхности одной клетки достигает нескольких сотен. Длина жгутика изменяется в широких пределах (спермин человека несут один жгутик длиной 50-70 мкм). Аксонема образована 9 периферийными парами микротрубочек и одной парой, расположенной в центре образующегося цилиндра. В каждой периферийной паре из-за частичного слияния микротрубочек одна микротрубочка полная, а вторая неполная, т.к. имеет 2-3 общих димера с первой микротрубочкой. Центральная пара микротрубочек окружена центральной оболочкой. От неё к периферическим парам микротрубочек расходятся в виде лучей так называемые радиальные спицы. Периферические пары связаны между собой мостиками из белка нексина. Кроме этого, от первой микротрубочки (микротрубочки А) одной пары ко второй микротрубочке (В) соседней пары отходят своеобразные «ручки» из белка динеина. Последний обладает активностью АТФазы. 
 
Колебательные движения жгутиков и биение ресничек обусловлены скольжением соседних дублетов в аксонеме, которое опосредуется движением динеиновых ручек. 
 
В основании каждой реснички или жгутика лежит базальное тельце. Строением оно напоминает центриолъ. На уровне апикального конца тельца третья микротрубочка (микротрубочка С) каждого триплета заканчивается, а первая (А) и вторая (В) микротрубочки продолжаются в соответствующие микротрубочки аксонемы жгутика или реснички. В процессе развития жгутика (реснички) базальное тельце служит матрицей, обеспечивающей сборку компонентов аксонемы. 
 
Микроворсинки - это выросты цитоплазмы клетки диаметром О,1 мкм и длиной 1 мкм . Они многократно увеличивают поверхность 
 
клетки, на которой может происходить (например, в тонком кишечнике) расщепление и всасывание веществ. На апикальной поверхности эпителиальной клетки тощей кишки может находиться до нескольких тысяч микроворсинок, которые формируют так называемую щёточную каёмку, увеличивающую поверхность клетки более чем в 30 раз. Каждая микроворсинка имеет внутренний каркас, образованный пучком из примерно 40 микрофиламентов. Пучок ориентирован вдоль продольной оси ворсинки и закреплён в апикальной части микроворсинки особыми белковыми мостиками (молекулами минимиозина), фиксирующимися на внутренней поверхности плазмолеммы. Микрофиламенты пучка соединены между собой поперечными сшивками из белков виллина и фимбрина. В области основания микроворсинки микрофиламенты пучка вплетаются в терминальную сеть, содержащую миозиновые филаменты. Предполагается, что конфигурация и тонус микроворсинок обусловливаются взаимодействием актиновых и миозиновых филаментов. 
 
Промежуточные филаменты представляют собой сплетённые белковыми нитями канаты толщиной около 10 нм. Такой показатель обусловил отведение им промежуточного места между микротрубочками и микрофиламентами. Промежуточные филаменты образуют трёхмерные 
 
сети в клетках различных тканей животного организма . Они окружают ядро и могут находиться в различных участках цитоплазмы, образуют межклеточные соединения (десмосомы и полудесмосомы), располагаются внутри отростков нервных клеток. Основными функциями промежуточных филаментов являются структурная и опорная, а также функция распределения органелл в определённых участках клетки.

2.Строение и функции  ДНК.Механизмы редупликации ДНК.Биологическое значение.

Как правило, ДНК представляет собой спираль, состоящую из двух комплиментарных полинуклеотидных цепей, закрученных вправо. В состав нуклеотидов ДНК входят: азотистое  основание, дезоксирибоза и остаток  фосфорной кислоты. Азотистые основания делят на пуриновые (аденин и гуанин) и пиримидиновые (тимин и цитозин). Две цепи нуклеотидов соединяются между собой через азотистые основания по принципу комплементарности: между аденином и тимином возникают две водородные связи, между гуанином и цитозином — три. 
 
Функции ДНК: 
1) обеспечивает сохранение и передачу генетической информации от клетки к клетке и от организма к организму, что связано с ее способностью к репликации; 
2) регуляция всех процессов, происходящих в клетке, обеспечиваемая способностью к транскрипции с последующей трансляцией. 
Процесс самовоспроизведения (авто-репродукции) ДНК называется репликацией. Репликация обеспечивает копирование генетической информации и передачу ее из поколения в поколение, генетическую идентичность дочерних клеток, образующихся в результате митоза, и постоянство числа хромосом при митоти-ческом делении клетки. 
Репликация происходит в синтетический период интерфазы митоза. Фермент репликаза движется между двумя цепями спирали ДНК и разрывает водородные связи между азотистыми основаниями. Затем к каждой из цепочек с помощью фермента ДНК-полимеразы по принципу комплементарности достраиваются нуклеотиды дочерних цепочек. В результате репликации образуются две идентичные молекулы ДНК. Количество ДНК в клетке удваивается. Такой способ удвоения ДНК называется полуконсервативным, так как каждая новая молекула ДНК содержит одну «старую» и одну вновь синтезированную полинуклеотидную цепь.

1. РЕПЛИКАЦИЯ ДНК.

Репликацией называется процесс удвоения ДНК. Принципиальный механизм репликации вытекает из строения молекулы ДНК. Для того, чтобы объяснить, каким образом может самокопироваться (редуплицироваться), такая стабильная и замкнутая на себя структура, как двойная спираль ДНК, Уотсон и Крик предположили, что ее цепи способны к раскручиванию и последующему частичному разделению вследствие разрыва водородных связей в каждой комплементарной паре оснований. Образовавшиеся одноцепочечные участки родительской молекулы могут служить матрицей, к которой по принципу комплементарности оснований присоединяются соответствующие нуклеотиды. Эти нуклеотиды соединяются между собой фосфодиэфирными связями с образованием новой цепи, комплементарной родительской. Так как этот процесс происходит на каждой разделившейся цепи исходной молекулы, то в результате образуются две двухцепочечные структуры, идентичные родительской ДНК. Такой способ репликации получил название полуконсервативного, поскольку в каждой из вновь образовавшихся молекул одна цепь является старой (родительской), а другая – вновь синтезированной (дочерней). Этот механизм обеспечивает возможность такого распределения ДНК между делящимися клетками, при котором каждая дочерняя клетка получает гибридную двухцепочечную молекулу ДНК, состоящую из родительской и вновь синтезированной цепей.

Независимо от того, содержит клетка только одну хромосому (как у прокариот) или много хромосом (как у эукариот) за период времени, соответствующий одному клеточному делению, весь геном должен быть реплицирован только один раз. Репликация происходит в S-фазу клеточного цикла и влечет за собой деление прокариотической или эукариотической клетки. Процесс репликации состоит из трех стадий: инициации (начало процесса), элонгации (собственно синтез) и терминации (окончание процесса).

Единица, с помощью которой  клетка контролирует отдельные акты репликации, получила название репликона. Каждый репликон в каждом клеточном цикле активизируется только один раз. В нем обязательно должны присутствовать необходимые для репликации контролирующие элементы: точка начала (origin), в которой инициируется репликация, точка окончания (terminus), в которой репликация останавливается.

В точке начала репликации начинается разъединение цепей ДНК, формируется репликационный «глазок». Точка, в которой происходит репликация, получила название репликационной вилки (см. Приложение). Репликация может осуществляться либо в одном, либо в двух направлениях. При однонаправленной репликации вдоль ДНК движется одна репликационная вилка. При двунаправленной репликации от точки начала в противоположных направлениях расходятся две репликационные вилки. Бактериальный геном представлен одним репликоном (см. Приложение). Каждая хромосома эукариот образована большим колическтвом репликонов, соответственно имеется много точек начала репликации. Это значительно сокращает продолжительность процесса. По мере прохождения репликации «глазки» постепенно расширяются и сливаются друг с другом (см. Приложение).

Процесс репликации осуществляется сложным ферментным комплексом, насчитывающим 15-20 различных белков (Условия репликации см. Приложение).

Инициация. Точки начала репликации на молекуле ДНК имеют специфическую последовательность оснований, богатую парами А-Т. Процесс начинается с того, что с каждой такой последовательностью связываются несколько молекул специальных узнающих белков (у прокариот это белки DnaA).

Первым начинает действовать  фермент геликаза (от helix - спираль). Он обеспечивет расплетение двойной спирали родительской ДНК путем разрыва водородных связей между нуклеотидами. На это затрачивается энергия гидролиза АТФ – по две молекулы на разделение 1 пары нуклеотидов. У эукариот одновременно происходит вытеснение данного участка ДНК из связи с гистонами и другими хромосомными белками.

Однако расплетение спирали  на некотором участке создает суперспирализацию перед этим участком, так как каждая молекула ДНК некоторыми участками зафиксирована на ядерном матриксе. Поэтому она не может свободно вращаться при какого-то своего участка. Это и вызывает суперспирализацию, что препчтствует дальнейшему расплетению цепи.

Эта проблема решается с  помощью ферментов топоизомераз. Существует два типа топоизомераз (топоизомераза типа I и топоизомераза типа II). Топоизомераза I разрывает одну из цепей ДНК, и переносит один свободный конец на себя. Это позволяет участку ДНК от места расплетения до места разрыва вращаться вокруг целой цепи, что предупреждает образование супервитков. Впоследствии концы разорванной цепи вновь замыкаются. Топоизомераза II разрывает обе цепи ДНК, перенося соответствующие концы на себя. Это позволяет более эффективно решать проблему суперспирализации при расплетении ДНК.

После расплетения двойной  спирали хеликазой, с каждой из двух нитей связываются специальные SSB-белки. Они обладают повышенным сродством к одноцепочечным участкам ДНК и стабилизируют их в таком состоянии. Механизм действия основных ферментов репликации ДНК-полимераз таков, что синтез новой полинуклеотидной цепи не может начаться с включения в нее первого нуклеотида. Синтез идет только как удлинение уже существующего полинуклеотида, который комплементарен матрице и образует с ней двуспиральный комплекс матрица-затравка. Во всех живых системах такой затравкой служит не ДНК, а короткая РНК. РНК-затравка синтезируется ферментом праймазой (или РНК-полимеразой).

Элонгация. На этой стадии осуществляется синтез цепей ДНК. Каждый нуклеотид включается в цепь лишь в случае его комплементарности нуклеотиду, занимающему данную позицию в составе матрицы. Ферментный комплекс функционирует так, что одна из двух цепей растет с некоторым опережением по сравнению с другой цепью. Соответственно, первая цепь называется лидирующей, а вторая – запаздывающей. Важнейшее обстоятельство состоит в том, что лидирующая цепь образуется в виде непрерывного очень длинного фрагмента. Запаздывающая цепь образуется в виде серии относительно коротких фрагментов – примерно по 1500 нуклеотидов. Это т.н. фрагменты Оказаки. В виде фрагментов Оказаки синтезируется та цепь, направление образования которой противоположно направлению движения соответствующей репликативной вилки. Рост цепей ДНК осуществляется ферментами ДНК-полимеразами. Удлиннение цепи ДНК (или отдельного ее фрагмента) всегда происходит в направлении от 5’-конца к 3’-концу. Это означает, что очередной новый нуклеотид присоединяется к 3’-концу растущей цепи.

У прокариот известно три ДНК-полимеразы: ДНК-полимераза I, ДНК-полимераза II и ДНК-полимераза III.

ДНК-полимераза III у прокариот является основным ферментом. Он осуществляет синтез лидирующей цепи и фрагментов Оказаки в направлении 5’-3’ от 3’-ОН-затравки. Помимо ДНК-полимеразной активности, ДНК-полимераза III обладает еще одной – 3’-5’-экзонуклеазной. Последняя срабатывает в тех случаях, когда допущена ошибка и в строющуюся цепь включен «неправильный» нуклеотид. Тогда, распознав дефект спаривания оснований, фермент отщепляет с растущего (3’-) конца последний нуклеотид, после чего опять начинает работать как ДНК-полимераза. На лидирующей цепи ДНК-полимераза III движется вслед за хеликазой до конца репликона (или всей молекулы). На запаздывающей цепи ДНК-полимераза III доходит до РНК-затравки предыдущего фрагмента Оказаки и отделяется. На смену ДНК-полимеразе III приходит ДНК-полимераза I. Этот вспомагательный фермент имеет значительно меньший размер и обладает тремя ферментативными активностями. Первая из них – 5’-3’ – экзонуклеазная. За счет этой активности осуществляется последовательное отщепление нуклеотидов с 5’-конца РНК-затравки предшествующего фрагмента. На освобождающееся место фермент включает дезоксирибонуклеотиды, присоединяя их к 3’-концу «своего» фрагмента (ДНК-полимеразная активность). И, наконец, подобно ДНК-полимеразе III, ДНК-полимераза I может при необходимости корректировать свою работу с помощью 3’-5’ – экзонуклеазной активности. Работа ДНК-полимеразы I завершается, когда растущий фрагмент вплотную доходит до предыдущего фрагмента.