Молекулярно-клеточный уровень организации жизни

Рибосома

 

       Рибосома (от «РНК» и soma – тело) – клеточный немембранный органоид, осуществляющий трансляцию (считывание кода мРНК и  синтез полипептидов).

Рибосомы эукариот расположены на мембранах эндоплазматической сети (гранулярная ЭС) и в цитоплазме. Прикрепленные к мембранам рибосомы синтезируют белок «на экспорт», а свободные рибосомы – для нужд самой клетки. Различают 2 основных типа рибосом  – прокариотные и эукариотные. В митохондриях и хлоропластах также имеются рибосомы, которые близки к рибосомам прокариот.

Рибосома состоит из двух субъединиц – большой и малой. У прокариотических клеток они обозначены 50S и 30S субъединицы, у эукариотических – 60S и 40S.  (S – коэффициент, который характеризует скорость осаждения субъединицы при ультрацентрифугировании).  Субъединицы эукариотических рибосом образуются путем самосборки в ядрышке и через поры ядра поступают в цитоплазму.

Рибосомы в клетках эукариот состоят из четырех нитей РНК (три молекулы рРНК в большой субъединице и одна молекула рРНК – в малой) и примерно 80 разных белков, т.е представляют собой сложнейший комплекс из молекул, скрепленных слабыми, нековалентными связями. (Рибосомы в клетках прокариот состоят из трех нитей РНК; две нити рРНК находятся в большой субъединице и одна рРНК – в малой). Процесс трансляции (биосинтеза белка) начинается со сборки активной рибосомы. Этот процесс называется инициацией трансляции. Сборка происходит строго упорядоченным образом, что обеспечивается функциональными центрами рибосом. Все центры находятся на контактирующих поверхностях обеих  субъединиц рибосомы. Каждая рибосома работает как большая биохимическая машина, а точнее, как суперфермент, который,  во-первых, правильно ориентирует  мРНК и тРНК   сдруг относительно друга, а во-вторых, катализирует  реакции между аминокислотами.

  Активные  центры рибосом:

1)центр связывания мРНК (М-центр);

2) пептидильный центр (П-центр). С этим центром в начале процесса трансляции связывается инициирующая  тРНК; на последующих стадиях трансляции из А-центра в П-центр  перемещается  тРНК, удерживающая  синтезированную часть пептидной цепи;

3)аминокислотный центр (А-центр) –  место связывания кодона  мРНК  с антикодоном   тРНК, несущей  очередную аминокислоту.

4)пептидилтрансферазный центр (ПТФ-центр): он катализирует реакцию связывания  аминокислот. При этом образуется  еще одна пептидная связь, и  растущий пептид удлиняется на  одну аминокислоту.

 

 

 

Схема синтеза белка на рибосомах гранулярной эндоплазматической сети.

(рис. из книги биология клетки, том  II)

                                                   

              Схематическое изображение полирибосомы. Синтез белка начинается со связывания малой субчастицы, в месте расположения AUG-кодона в молекуле информационной (матричной РНК) (рис. из книги биология клетки, том II).

 

 

Лизосомы, структура и функции

 

            Лизосомы (от греч. lysis – разложение, распад и греч. soma – тело) – главные пищеварительные органеллы клетки. Они представляют собой пузырьки, отделяющиеся от комплекса Гольджи,  размером  0,2-2,0 мкм. Их число значительно колеблется в зависимости от типа клетки: их много в цитоплазме лейкоцитов и макрофагов. Обычно на клетку, например гепатоцита, приходится около сотни лизосом. Лизосомы образно называют мешочками  с «оружием массового поражения», так как внутри них находится целый набор гидролитических ферментов, способных разрушить любой компонент клетки. Клетку спасает от разрушения не только лизосомальная мембрана. Лизосомальные ферменты работают в кислой среде (рН 4,5), которая внутри лизосомы поддерживается АТФ-зависимым протонным насосом. Первичные лизосомы отпочковываются от аппарата Гольджи в виде пузырьков, начиненных ферментами. Объекты, подлежащие разрушению, исходно могут находиться как внутри, так и вне клетки. Это могут быть состарившиеся митохондрии, эритроциты, компоненты мембран, гликоген, липопротеины и др. Состарившиеся митохондрии распознаются и заключаются в пузырек, который образуется из мембраны эндоплазматического ретикулума. Такие пузырьки называют аутофагосомами. Мембранные пузырьки, содержащие захваченные извне частицы, называют эндосомами. Аутофагосомы, фагосомы и эндосомы сливаются с первичными лизосомами, где и происходит переваривание поглощенных частиц и веществ. Отсутствие одного или нескольких ферментов чревато тяжелыми заболеваниями.

 

Функция. Лизосомы участвуют в разрушении (деградации) попавших в них макромолекул, органелл и некоторых микроорганизмов. Деградация достигается за счет  присутствия в лизосомах около 40 типов различных  ферментов, способных расщепить белки, жиры, углеводы и нуклеиновые кислоты. Лизосомы участвуют в  круговороте органелл, разрушая состарившиеся. Примером может служить деградация  отработавших митохондрий по механизму аутофагии или частиц, различными путями попавших в клетку (гетерофагия). Ферменты  лизосом могут переваривать не только отдельные составные части и включения клетки, но и всю ее целиком (автолиз), что наблюдается, например, при метаморфозе головастика во взрослую лягушку.

Содержимое этих органелл ограничено одной мембраной, которая обладает уникальным свойством – устойчивостью к перевариванию ферментами, достигаемая за счет сильного гликозилирования интегральных белков, обращенных в полость лизосомы.

       Лизосомы образно называют емкостями с «оружием массового поражения», так как внутри них находится целый набор гидролитических ферментов (кислая фосфатаза и др.), способных разрушить любой компонент клетки. Клетку спасает от разрушения только лизосомальная мембрана.

Виды лизосом:

l. Первичные

2. Вторичные 

- фаголизосомы 

- аутофагосомы 

3. Остаточные тельца.

 

      ● Первичные лизосомы – отпочковываются от комплекса Гольджи в виде мелких пузырьков,  начиненных гидролитическими ферментами. Ферменты образуются в гранулярном ЭР. Множество мелких лизосом могут сливаться в одну большую вторичную лизосому.

 

     ●  Вторичные лuзосомы – отграниченные мембраной пузырьки, начиненные гидролитическими ферментами, внутри которых находятся объекты, подлежащие разрушению. Если такими объектами являются состарившиеся или поврежденные другие органеллы (митохондрии), такие пузырьки (вторичные лизосомы) называют аутофагосомами. Если объектами, подлежащими уничтожению, будут являться захваченные извне частицы, такие пузырьки (вторичные лизосомы) называют фаголизосомами (фагосомами). Вторичные лизосомы с большим числом видимых поглощенных пузырьков называю мультивезикулярными тельцами.

 

   ● Остаточные тельца – это вторичные лизосомы, закончившие процесс переваривания с незначительным количеством гидролитических ферментов, внутри которых накапливаются непереваренные (негидролизуемые) продукты, например, жирные кислоты с длинной углеводородной цепочкой. В этих лизосомах происходит уплотнение содержимого и его перестройка. Пример: у человека при старении организма в некоторых клетках происходит отложение "пигмента старения" – липофусцина.

         Известно множество генетических заболеваний (болезней накопления), связанных с недостаточностью лизосомальных ферментов. Все они связаны с отсутствием в лизосомах того или иного гидролитического фермента. В результате внутри лизосом накапливается значительное количество субстрата недостающего фермента либо в форме интактных молекул, либо в виде частично расщепленных остатков. В зависимости от того, какой фермент отсутствует, может происходить накопление гликопротеинов, гликогена, липидов, гликолипидов, гликозаминогликанов (мукополисахаридов). Чрезмерно наполненные тем или иным веществом лизосомы препятствуют нормальному осуществлению клеточных функций и вследствие этого вызывают проявление заболеваний. Молекулярные механизмы лизосомных болезней обусловлены мутациями структурных генов, контролирующих процесс внутрилизосомного гидролиза макромолекул. Мутация может поражать синтез, процессинг (созревание) или транспорт самих лизосомных ферментов.

 

 

 

 

 

 

Цитоскелет

 

      Эукариотические клетки способны поддерживать определенную упругую форму, перемещаться, передвигать органеллы в цитоплазме и разделять хромосомы во время деления клетки. Эта способность обеспечивается трехмерной сеткой из белковых нитей (филаментов), составляющих главную цитоархитектуру клетки – цитоскелет. В зависимости от диаметра филаменты разделяются на три группы: микрофиламенты (6-8 нм), промежуточные волокна (около 10 нм) и микротрубочки (около 25 нм). Все эти элементы цитоскелета  построены из глобулярных  белков,  способных быстро  самоорганизовываться  в нитчатые полимерные структуры и быстро, при  необходимости, разрушаться. Этот внутренний каркас поддерживает органеллы.

 

Микротрубочки – представляют собой длинные нитевидные структуры, протянутые по всей цитоплазме и формирующие сеть, которая поддерживает структурную организацию и локализацию некоторых органелл. Микротрубочки входят в состав аксонемы (опорной нити) некоторых протистов, базального тельца, расположенного у основания жгутика и в состав центриоли.

Микротрубочки образуются при полимеризации белка тубулина (лат. tubula – трубочка).  В процессе полимеризации α-тубулин одного димера контактирует с β-тубулином следующего димера с образованием протофиламентов. Тринадцать тубулиновых продольных рядов протофиламентов (нитей), идущих по спирали, образуют микротрубочку диаметром 24 нм и длиной несколько микрометров. Микротрубочки в клетке нестабильны. Они могут быстро собираться и разбираться. В каждой микротрубочке различают (+)-конец, где присоединяются молекулы тубулина, и (−)-конец, где молекулы отделяются. Как правило, микротрубочки ассоциированы с другими белками (миозин, динеин, кинезин), которые связывают микротрубочки с другими компонентами цитоскелета и органеллами. Кинезин и динеин обеспечивает транспорт органелл (например, митохондрий) и везикул (пузырьков) из одной части клетки в другую. Следует иметь в виду, что в развивающемся организме могут сложиться условия (недостаток кислорода, пониженная или повышенная температура и т.д.), когда  нарушается сборка микротрубочек в клетках, это может служить причиной отклонения от нормального развития. Некоторые препараты (цитостатики), применяемые в онкологии блокируют присоединение тубулина к (+)-концу микротрубочки и блокируют пролиферацию злокачественных клеток.

      

• Микрофиламенты  встречаются практически во всех типах клеток и состоят из белка  актина – наиболее распространенного в эукариотических клетках. Микрофиламенты участвуют в динамических процессах, таких как мышечное сокращение, движение немышечных клеток, фагоцитоз, образование выростов цитоплазмы у подвижных клеток и акросом в процессе слияния сперматозоида с яйцеклеткой. Все эти процессы осуществляются с помощью актин-связывающих белков.

В цитоплазме клеток имеются более 50 различных типов актин-связывающих белков. Почти все типы движений в клетке происходят с участием актин-связывающего белка миозина. В скелетных мышцах молекулы актина и миозина расположены на фиксированных расстояниях друг от друга, а перемещение головок миозина по актиновым нитям приводит к сокращению мышц. В немышечных клетках при взаимодейстии с белком миозином актиновые филаменты могут формировать сократительные пучки, благодаря которым образуются инвагинации (впячивания) клеточной поверхности. У большинства клеток  микрофиламенты образуют под плазматической мембраной  трехмерную структуру, так называемую актиновую кору  (актиновый кортекс). Особенность этой структуры – быстрое обновление микрофиламентов; например, в кортексе лейкоцита филаменты существуют не более 5 секунд. Основной тип перестроек кортекса у подвижных клеток связан с образованием псевдоподий – выростов цитоплазмы. Псевдоподии могут иметь форму плоской пластинки (ламеллоподия), узкого цилиндра (филоподия)  или шаровидного пузыря. Форма псевдоподий зависит от типа актин-связывающих белков, взаимодействующих с микрофиламентами и плазматической мембраной.

Микротрубочки и микрофиламенты в эукариотических клетках составляют главную архитектуру клетки – цитоскелет (иногда обозначаемый как цитоматрикс). Отмечено, что при различных  воздействиях клетка в первую очередь перестраивает цитоскелет, демонтируя основные компоненты своей архитектуры, а затем формирует их заново, в соответствии с характером  полученного сигнала; при этом детальное строение цитоскелета постоянно меняется  при сохранении общего плана его организации. Такую форму работы цитоскелетной системы называют принципом динамической нестабильности.

Промежуточные волокна. Белки  этих элементов цитоскелета принадлежат пяти родственным семействам и проявляют высокую специфичность, то есть синтезируются в определенных клеточных типах. Типичным представителем этих белков является цитокератин. Основу его составляет суперспирализованная  альфа-спираль. Две альфа-спирали, соединенные антипараллельно, образуют димер; из димеров строятся тетрамеры – протофиламенты. Восемь протофиламентов образуют промежуточное волокнодиаметром 10 нм. Промежуточные волокна создают внутриклеточный каркас, обеспечивают упругость клетки, поддерживают упорядоченность расположения элементов цитоплазмы.

 

 

 

 

Нарушения цитоскелета. Доказана роль цитоскелета в двигательной функции клеток, в структуре плазматической мембраны и, что очень важно, в рецепторной функции клеток. Изменения цитоскелета нарушают процесс высвобождения активного вещества (гормона, медиатора и т.д.), а также изменяют рецепторную функцию клеток-мишеней. В результате нарушается рецепция клетками (в частности, нервными) различных стимулирующих веществ. Кроме того, отмечается нарушение двигательной активности клеток (например, бета-клеток поджелудочной железы), в результате возникает недостаточность инсулина. Другим примером заболеваний с нарушением цитоскелета являются  мышечная дистрофия Дюшена и мышечная дистрофия Беккера. Обе формы являются результатом мутаций гена, кодирующего белок дистрофин, входящий в состав цитоскелета.