Молекулярно-клеточный уровень организации жизни

 

 

                                 

 

         Рис. 9. Электронная микрофотография лейкоцита, поглощающего посредством фагоцитоза бактерию, которая находится в процессе деления (Фото из книги: Молекулярная биология клетки, том II).

 

               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.

 

 

Механизмы межклеточной коммуникации

 

Чтобы клетки могли координировать свои действия, существуют механизмы межклеточной коммуникации. Клетки общаются или путем прямого контакта, или выделяя сигнальные молекулы (в том числе гормоны, ростовые факторы, нейромедиаторы). В настоящее время  стал известен еще один способ обмена информацией между удаленными клетками  в разных органах и разных частях тела – с помощью мембранных пузырьков.  В зависимости от того, как образуются внеклеточные пузырьки и какой они величины, их называют эктосомами или экзосомами. Эктосомы, или почкующиеся микровезикулы, образуются путем выпячивания плазматической мембраны из клетки наружу; выпуклость отшнуровывается от мембраны клетки и превращается в пузырек. Это довольно крупные пузырьки – обычно от 50 до 200 нм, иногда достигают и 1000 нм в диаметре.

Экзосомы – небольшие пузырьки (от 40 до 100 нм). Первоначально они образуются в цитоплазме  – и собираются в полость, называемую эндосомой. Когда в этой полости накапливается достаточно много экзосом, дальнейшая ее судьба может быть различной, в зависимости от того, какими липидами промаркирована ее мембрана. В первом случае   содержимое эндосомы может быть разрушено ферментами лизосом. Во втором – эндосома сливается с поверхностной мембраной клетки и множество экзосом выталкивается наружу, во внеклеточную среду.

Мембрана экзосом предохраняет их от воздействия среды, а рецепторы на ее поверхности  обеспечивают доставку содержимого пузырька точно по адресу. Транспорт экзосом осуществляется жидкостью, циркулирующей по кровеносным и лимфатическим сосудам и, таким образом,  обеспечивается обмен информацией между удаленными клетками, в разных органах и разных частях тела. Функция доставки информации клеткам-мишеням доказана точно пока только для экзосом.

       Особенно велика роль экзосом  в работе и регуляции иммунной  системы. Экзосомы, выделяемые клетками плаценты в кровь матери ингибируют клетки иммунной системы и тем самым предотвращают иммунную атаку крови матери против плода. Экзосомы, как и клетки, несут на мембране белки главного комплекса гистосовместимости (МНС, от англ. major histocompatibility complex) и белки теплового шока, они же белки стресса (HSP60, HSP70, HSP90). Те и другие принимают участие в связывании антигенов и предъявляют эти антигены иммунной системе. Белки МНС отвечают также за распознавание «своих» и «чужих» клеток и тканей. Такой способ пересылки информации используются клетки-макрофаги, зараженные вирусами или бактериями – они отправляют антигены инфекционного агента, и это тоже приводит к активации клеток иммунной системы.

За последние годы собрана обширная информация о компонентах внеклеточных пузырьков из различных типов клеток и жидкостей. Состав экзосом – их белков, липидов, микроРНК и матричных РНК сильно зависит от происхождения пузырьков, а также от физиологического состояния породившей их клетки, оттого, здорова она или больна. Экзосомы, продуцируемые некоторыми клетками, содержат наряду с белками и  мРНК функционально активные малые РНК (около 22 нуклеотидов), которые принимают участие в регуляции экспрессии генов. РНК, курсирующие с помощью экзосом от одной клетки к другой, были названы челночными, или шаттл-РНК (exosomal shuttle RNA — esRNA).

            Экзосомы содержат белки, микроРНК и матричную РНК той клетки, из которой они произошли, поэтому исследования экзосом имеют огромную практическую значимость, поскольку они могут сказать многое о состоянии организма. Анализ содержимого из экзосом помогает не только поставить диагноз, но и определить стадию заболевания, выяснить, прогрессирует ли оно или вошло в стадию ремиссии, проверить эффективность лечения. Повышенный уровень микроРНК-155 характерен при наличии провоспалительных макрофагов и атеросклеротических поражений. МикроРНК семейства Let-7 в экзосомах может свидетельствовать об активном размножении клеток, а значит, о растущей опухоли. Появление в плазме крови типичной для сердечной мышцы микроРНК-208а и изменения уровня некоторых других микроРНК могут быть использованы для ранней диагностики повреждения миокарда.

 

 

 

ЦИТОПЛАЗМА

 

 

СТРУКТУРНЫЕ КОМПОНЕНТЫ ЦИТОПЛАЗМЫ

КЛЕТКИ

 

I. ГИАЛОПЛАЗМА

II. ОРГАНЕЛЛЫ

III. ВКЛЮЧЕНИЯ

 

1. ГИАЛОПЛАЗМА 

 

           Гиалоплазма – это матрикс цитоплазмы, представляющий собой ее истинную внутреннюю среду. Он имеет вид гомогенного или тонкозернистого вещества с низкой электронной плотностью. Является сложной коллоидной системой, включающей в себя различные биополимеры: глобулярные белки (20-25% от общего содержания белков в эукариотической клетке), нуклеиновые кислоты, полисахариды, промежуточные продукты их обмена, воду, неорганические вещества и др. Эта система способна переходить из золеобразного (жидкого) состояния в гелеобразное (упругое) состояние и обратно.

 

2. ОРГАНЕЛЛЫ

 

Органеллы – это постоянные структурные компоненты цитоплазмы клеток, имеющие строго определенное строение и выполняющие жизненно важные специфические функции.

 

Классификация органелл

1. По строению:

А. Мембранные     

- Гранулярная  ЭПС 

- Гладкая ЭПС 

- Комплекс  Гольджи 

- Митохондрии 

-Лизосомы 

- Пероксисомы 

 

Б. Немембранные

- Рибосомы 

- Центриоли 

- Микротрубочки  и 

микрофиламенты

- Протеасомы 

 

II. По распространенности в клетках:

 

А. Общие органеллы (присутствуют во всех эукариотических клетках): (все мембранные и немембранные органеллы);

 

Б. Специальные органеллы (присутствуют только в отдельных, высокоспециализированных клетках):

- миофибриллы (мышечные клетки)

- нейрофибриллы (нервные клетки)

- микроворсинки (эпителиоциты кишечника)

- реснички (эпителиоциты  дыхательных путей)

- жгутики (сперматозоиды)

 

Функции:

1. Синтез экспортных белков.

2. Синтез белков для мембран  клетки.

3. Изоляция данных белков от  содержимого гиалоплазмы.

4. Транспорт белков.

 

 

 

А. МЕМБРАННЫЕ ОРГАНЕЛЛЫ

Мембранными называются органеллы, в структуре которых имеются элементарные клеточные мембраны.

Эндоплазматическая сеть (ретикулум, ЭР) – протяженная замкнутая мембранная структура, построенная из сообщающихся трубкообразных полостей и мешочков, называемых цистернами.  Занимает большой объем цитоплазмы эукариотических клеток. В ней протекает множество биосинтетических процессов. Мембрана ЭР принимает участие в образовании плазматической мембраны, комплекса Гольджи, лизосомной мембраны, секреторных пузырьков и эндосом – слившихся пиноцитозных пузырьков. ЭР делится на две функционально различные структуры: гранулярная (шероховатая) эндоплазматическая сеть и гладкая эндоплазматическая сеть.

• Гранулярная эндоплазматическая сеть – мембранный компартмент (отсек ЭР), с которым связано множество рибосом. Комплекс мембран гранулярной эндоплазматической сети связан с наружной мембраной ядерной оболочки и перинуклеарным пространством. В полостях эндоплазматической сети содержится много различных молекул-компонентов, среди которых имеют большое значение белки шапероны. Шапероны – семейство специализированных внутриклеточных белков, обеспечивающих быстрое и правильное сворачивание (фолдинг) вновь синтезированных молекул белка. Связывание с шаперонами препятствует агрегации с другими белками и тем самым создает условия для формирования  вторичной и третичной структуры  растущего пептида.  Шапероны принадлежат к так называемым белкам теплового шока (hsp 60, hsp 70, hsp 90). Синтез данных белков  активируется при стрессах, в частности, при тепловом шоке (отсюда и название – белок теплового шока). Шапероны предотвращают денатурацию  белков при высокой  температуре и др. экстремальных факторах. Связываясь с аномальными белками, шапероны восстанавливают их нормальную конформацию и тем самым повышают выживаемость организма при резком ухудшении физико-химических параметров среды.

 

Рисунок 2. Схема строения гранулярной эндоплазматической сети (1- рибосомы; 2- цистерны).

 

 

• Гладкая  эндоплазматическая сеть – в основе строения лежат элементарные клеточные мембраны, образующие систему мелких вакуолей, трубок и канальцев. Гладкая сеть является продолжением гранулярной, однако  не содержит рибофоринов – гликопротеиновых рецепторов, с которыми соединяется большая субъединица рибосом и поэтому не связана с рибосомами. 

 

• Комплекс Гольджи - состоит из набора расширенных по краям (ампулы) уплощенных цистерн, сложенных в стопку и отпочковывающихся от цистерн  микропузырьков и вакуолей. Каждое такое скопление цистерн называется диктиосомой. Количество цистерн в разных клетках варьирует, чаще всего, в пределах 5-12, между которыми находятся тонкие прослойки гиалоплазмы. Комплекс Гольджи располагается обычно между эндоплазматической сетью и плазматической мембраной. Часть комплекса Гольджи, обращенная к эндоплазматической сети, называется цис-полюсом, а  удаленная от ЭС – транс-полюсом.  В соответствии с полярностью комплекса Гольджи каждая сторона его цистерн имеет цис- и транс-поверхности.

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 3. Схема ультраструктурного строения комплекса Гольджи (1- цистерна; 2- вакуоли, 3- микропузырьки; первичные лизосомы)

 

 

 

• Комплекс Гольджи - состоит из набора расширенных по краям (ампулы) уплощенных цистерн, сложенных в стопку и отпочковывающихся от цистерн микропузырьков и вакуолей. Каждое такое скопление цистерн называется диктиосомой. Количество

цистерн в разных клетках варьирует, чаще всего, в пределах 5-12, между которыми находятся тонкие прослойки гиалоплазмы. Комплекс Гольджи располагается обычно между эндоплазматической сетью и плазматической мембраной. Часть комплекса Гольджи, обращенная к эндоплазматической сети, называется цисполюсом, а удаленная от ЭС - трансполюсом. В соответствии с полярностью комплекса Гольджи каждая сторона его цистерн имеет цис- и трансповерхности.

 

Рисунок 3. Схема ультраструктурного строения комплекса Гольджи (1- цистерна; 2- вакуоли, 3- микропузырьки; п~Q.ви':lные лизосо-

 

Функции:

 

1. Накопление, сортировка и созревание веществ, синтезированных на гладкой и  гранулярной эндоппазматической  сети.

2. Синтез  и сегрегация сложных соединений (полисахаридов, гликопротеидов, липопротеидов).

3. Транспортная.

4. Участвует  в гидроосмотическом ответе клетки (в случае больших водных потоков  цитоплазма обводняется, и вода  частично собирается в крупных  вакуолях комплекса Гольджи).

5. Образование  первичных лизосом.

 

 

 

 

 

Митохондрии: общая структура и функции

 

Митохондрии (греч. mitos– нить, chondros – зернышко, крупинка) – это самые крупные, окруженные двойной мембраной органеллы, которые являются центром промежуточного обмена веществ  и   местом синтеза аденозинтрифосфата (АТФ) в клетке. (Промежуточный обмен – синтез, разрушение и взаимопревращение наиболее важных веществ). Эти важнейшие компоненты  клетки были открыты Р.Альтманом в 1894 году, а  К. Бенда дал им соответствующее название, поскольку они видны под световым микроскопом в виде «нитей» и «зернышек». Они присутствуют во всех клетках человеческого организма за исключением эритроцитов и зрелых клеток эпидермиса кожи. Митохондрии многочисленны в клетках, потребляющих большое количество энергии (мышечная ткань), и клетках, c высоким уровнем синтеза белка. Они постоянно перемещаются по цитоплазме в те участки клетки,  где протекают в это время процессы с повышенной затратой энергии. 

Генез (происхождение).  Всеобщее признание получила гипотеза эндосимбиоза американской исследовательницы Линн Маргулис, согласно которой, митохондрии в современной эукариотической клетке являются потомками аэробных прокариот-симбионтов, захваченных анаэробной эукариотической клеткой путем фагоцитоза,  и начавших участвовать в ее окислительных процессах. Клетка-хозяин предоставила им   защиту, а они стали обеспечивать ее энергией, синтезируя АТФ. Митохондрии за более чем миллиард лет все еще сохранили от древних доэукариотических времен некоторую автономию. Они имеют собственный геном,  рибосомы, мРНК, тРНК, рРНК.

 Продолжительность жизни митохондрий – 10-13 дней. Состарившиеся митохондрии  разрушаются лизосомальными ферментами в аутофагосомах. Обновление митохондрий происходит путем поперечного деления, которое начинается с образования кольцевой бороздки на внутренней митохондриальной мембране. Удвоение  митохондрий происходит при подготовке клетки к делению в G2-периоде интерфазы. Известно также, что у дрожжей в аэробных условиях они могут  развиваться из промитохондрий. Промитохондрии представляют собой очень мелкие пузырьки с плотным матриксом и двумя мембранами. В процессе их развития в результате выпячивания внутренней мембраны образуются кристы. Новые промитохондрии возникают путем деления промитохондрий или путем отпочкования от зрелых митохондрий.