2.2. Функции клеточных органелл

Клеточные органеллы находятся в гиалоплаз-ме, состоящей из воды и находящихся в ней различных ионов и органических веществ (глюкоза, аминокислоты, белки, фосфолипи-ды, холестерин). Гиалоплазма составляет внутреннюю среду клетки, обеспечивающую взаимодействие всех клеточных структур друг с другом посредством транспорта веществ, потребляемых и синтезируемых клеткой. Ги­алоплазма выполняет также функцию депо гликогена, липидов, пигментов. Большинст­во внутриклеточных органелл — мембранные органеллы (ядро, эндоплазматический ретику-лум, аппарат Гольджи, митохондрии, лизосо-мы) имеет собственные мембраны, построен­ные по тому же принципу, что и клеточные мембраны (см. раздел 2.3). Некоторые внут­риклеточные органеллы не имеют собствен­ных мембран — немембранные органеллы (ри­босомы, микротрубочки, микрофиламенты и промежуточные филаменты). Каждая орга-нелла выполняет свои специфические функ­ции.

А. Мембранные органеллы цитоплазмы Эндоплазматический ретикулум представ­ляет собой систему канальцев, уплощенных

цистерн и мелких пузырьков. Строение мем­браны ретикулума подобно строению клеточ­ной мембраны. Функции эндоплазматичес-кого ретикулума: 1) является резервуаром для различных ионов, в том числе Са^⁺ — одного из вторых посредников в реализации специ­фических реакций клеток, например, в электромеханическом сопряжении; 2) обес­печивает синтез и транспорт различных ве­ществ, в том числе молекул белков, липидов; 3) обеспечивает детоксикацию (в клетках пе­чени) ядовитых веществ, попадающих в орга­низм с пищей или вдыхаемым воздухом, а также биологически активных метаболитов, например простагландинов, желчных кислот, стероидных гормонов, подлежащих удалению из организма. Эти вещества в результате пре­вращений выводятся с мочой и желчью в виде глюкуроновых и сульфуроновых соеди­нений.

Аппарат Гольджи представляет собой сис­тему упакованных уплощенных мешочков (цистерн), вакуолей и транспортных пузырь­ков. Его функции тесно связаны с функция­ми эндоплазматического ретикулума, от ко­торого отделяются транспортные пузырьки и сливаются с аппаратом Гольджи. Он обеспе­чивает этап формирования и созревание всех секретируемых клеткой продуктов, в част­ности ферментов лизосом, белков, гликопро-теидов клеточной мембраны. Секреторные пузырьки постоянно отделяются от аппарата Гольджи, транспортируются к клеточной мембране и сливаются с ней, а содержащиеся в пузырьках вещества выводятся из клетки в процессе экзоцитоза.

Лизосомы — это отпочковавшиеся от аппа­рата Гольджи в виде мешочков участки, со­держащие большое количество (более 50) различных кислых гидролаз. Основной функ­цией лизосом является переваривание посту­пающих в клетку продуктов гидролиза бел­ков, углеводов, жиров, нуклеиновых кислот, фагоцитированных бактерий и клеток, гра­нул гликогена — это своеобразная внутри­клеточная пищеварительная система. Отде­лившаяся от аппарата Гольджи лизосома на­зывается первичной, она перемещается к пу­зырьку, образовавшемуся в результате пино-цитоза или фагоцитоза, и изливает свое со­держимое в пузырек —- получается вторичная лизосома, в которой происходит расщепле­ние содержащихся там веществ. Продукты расщепления поступают из вторичной лизо­сомы в гиалоплазму и используются для пи­тания и обновления клетки. Остатки вторич­ных лизосом выделяются клеткой в процессе экзоцитоза. Лизосомы содержат лизоцим,

15

растворяющий мембрану фагоцитированных бактериальных клеток, лактоферрин, связы­вающий железо, необходимое для поддержа­ния роста бактерий, и тем самым угнетаю­щий их размножение. Кислая среда лизосом (рН около 5,0) тормозит обмен веществ бак­терий и ускоряет их гибель. Лизосомы обес­печивают регрессию физиологически увели­ченной массы ткани, например матки после родов, молочных желез после лактации.

Пероксисомы — разновидность лизосом, содержащих главным образом ферменты, ка­тализирующие образование и разложение перекиси водорода — одного из важнейших окислителей в организме. Перекись водорода образуется под влиянием оксидаз, а расщеп­ляется под влиянием лероксидаз или каталаз.

Митохондрии называют энергетическими станциями клеток, так как в них вырабатыва­ется (освобождается) основное количество энергии из поступающих в организм пита­тельных веществ. Они выполняют ряд других функций, например участвуют в синтезе фос-фолипидов, жирных кислот. Митохондрии представляют собой округлые, овальные или удлиненные образования с двойной мембра­ной — наружной и внутренней, каждая из ко­торых состоит из бислоя липидно-белковых молекул. Внутренняя мембрана имеет вырос­ты (кристы), обращенные внутрь митохонд­рии, содержимое последней называют мат-риксом. В кристах и внутренней мембране митохондрий содержатся дыхательные фер­менты—переносчики электронов, в матриксе находятся ферменты цикла Кребса. В резуль­тате реакций обеих ферментативных систем питательные вещества окисляются до конеч­ных продуктов — воды и углекислого газа — с освобождением аммиака и выделением энергии; энергия используется для синтеза АТФ. Молекулы АТФ диффундируют в гиа-лоплазму и используются клеткой для выпол­нения всех ее функций.

Число митохондрий в клетке весьма вари­абельно — от 20 до 5]О⁵, оно может изме­няться в каждой клетке и определяется ее по­требностями. Обновление митохондрий и синтез новых обеспечиваются ДНК и РНК, содержащимися в митохондриях. Матрикс митохондрий содержит также ферменты, уча­ствующие в синтезе жирных кислот, имеются соли кальция и магния. Окислительные про­цессы происходят и в наружной мембране, но главную роль в выделении энергии играют внутренняя мембрана и матрикс. Энергия об­разуется также и в гиалоплазме клетки в ре­зультате анаэробного расщепления глюкозы (анаэробный гликолиз), при этом из каждой

молекулы глюкозы образуются две молекулы АТФ и две молекулы пировиноградной кис­лоты. В результате дальнейших превращений из одной молекулы глюкозы образуются 32 молекулы АТФ (или 38, в зависимости от путей доставки восстановительных эквива­лентов в митохондрии). И тем не менее запа­сы АТФ в клетке невелики: они обеспечива­ют работу клетки только в течение несколь­ких секунд. Энергия накапливается также в виде других органических фосфатных соеди­нений — фосфагенов (это наиболее характер­но для скелетной и сердечной мышц, для нервных клеток). Наиболее важным фосфаге-ном является креатин фосфат, энергия кото­рого расходуется на ресинтез израсходован­ной АТФ.

Б. Немембранные органеллы цитоплазмы — это рибосомы и фибриллярные компоненты, включающие микротрубочки, микрофила-менты и промежуточные филаменты. Рибосо­мы — плотные частицы, состоящие из рибо-сомных РНК (рРНК) и белка, причем рРНК составляет примерно 60 % всей массы рибо­сомы, функцией которой является синтез белков. Рибосомы располагаются либо сво­бодно в гиалоплазме, либо соединены с эн-доплазматическим ретикулумом. Отдельные рибосомы соединяются в более крупные аг­регаты — полирибосомы, которые образуют­ся с помощью информационной РНК (иРНК). Информацию о синтезе белка при­носит от ядра иРНК, аминокислоты достав­ляются транспортной РНК (тРНК). Рибосо­мы, свободно лежащие в гиалоллазме, синте­зируют белок для использования самой клет­кой, а рибосомы, связанные с эндоплазмати-ческим ретикулумом, синтезируют белок, ко­торый выводится из клетки, образуя межкле­точное вещество, секреты. На рибосомах син­тезируются различные по функции белки — ферменты, белки-переносчики, рецепторы, компоненты цитоскелета. Микротрубочки об­разуются в результате полимеризации белка тубулина. В аксонах и дендритах нейронов микротрубочки участвуют в транспорте раз­личных веществ со скоростью 1—2 мм в сутки (медленный транспорт) и несколько сотен миллиметров в сутки (быстрый транс­порт). Микрофиламенты — очень тонкие бел­ковые нити диаметром 5—7 нм, состоят в ос­новном из белка актина, близкого к мышеч­ному. Имеется небольшое количество и мио­зина. Промежуточные филаменты — это об­разованные макромолекулами белков нити. Белковый состав промежуточных филамен-тов тканеспецифичен. Расположенные па­раллельно внутренней стороне клеточной

16

мембраны и пронизывающие всю гиалоплаз-му, они образуют различные связи между микротрубочками и микрофиламентами. Со­вокупность фибриллярных компонентов об­разует цитоскелет,обеспечивающий поддер­жание формы клетки, внутриклеточное пере­мещение мембранных органелл и движение некоторых клеток — их сократительную функцию. Разнонаправленное расположение различных элементов повышает жесткость и прочность цитоскелета. Наиболее прочной составной частью цитоскелета являются про­межуточные филаменты. Компоненты цито­скелета участвуют в организации митотичес-ких веретен, в процессах морфогенеза, обес­печивают движение мембраны клеток во время эндоцитоза и экзоцитоза. Подвижные клетки (лейкоциты и тромбоциты) благодаря фибриллярным компонентам образуют псев­доподии, что обеспечивает их передвижение. В. Ядро несет генетическую информацию и обеспечивает регуляцию синтеза белка в клет­ке. Это самая большая органелла клетки. Ядро состоит из ядерной оболочки (мембра­ны), хроматина, ядрышка и кариоплазмы. Оболочка ядра состоит из двух мембран, про­свет между которыми сообщается с полостью эндоплазматического ретикулума. Оболочка имеет поры размером около 100 нм, что обес­печивает проход РНК, рибонуклеаз, обмен других веществ между ядром и цитоплазмой. На наружной ядерной мембране располага­ются рибосомы, на которых синтезируется белок. Ядрышко — внутриядерное образова­ние округлой формы, не имеет мембраны. В нем синтезируется рибосомная РНК (рРНК) и образуются рибосомы. В ядрышке имеются также белки и ДНК. Хроматин со­стоит из многих витков ДНК, связанных с белками, основными и кислыми. Хроматин содержит также РНК. Молекула ДНК имеет по всей длине отрицательный заряд, что обеспечивает присоединение к ней положи­тельно заряженных молекул белков. Ком­плекс ДНК и белков — это главные компо­ненты хромосомы — генетического аппарата клетки. Он выполняет две главные функции: генетическую (хранение и передача в ряд по­колений генетической информации) и мета­болическую — управление синтезом белка. Управление синтезом белка включает два этапа: первый этап — создание на матрице ДНК информационной РНК (иРНК), кото­рая содержит код управления синтезом опре­деленного белка. Кодом иРНК является по­следовательность расположения нуклеоти-дов, повторяющая генетический код ДНК. Этот этап называется транскрипцией. Второй

этап (трансляция) происходит на рибосомах: иРНК, синтезированная в ядре, через поры ядра поступает в рибосомы, где осуществля­ется сборка полипептида (белка) из амино­кислот, доставляемых тРНК. Последняя син­тезируется также в ядре клетки.

2.3. СТРУКТУРНО-ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ КЛЕТОЧНОЙ МЕМБРАНЫ

Клеточная мембрана (оболочка клетки) пред­ставляет собой тонкую (6—10 нм) липопроте-иновую пластинку, содержание липидов в которой составляет около 40 %, белков — около 60 %. Изнутри клеточная мембрана выстлана тонким, более плотным слоем гиа-лоплазмы, практически лишенной органелл. На внешней поверхности мембраны имеется небольшое количество (5—10 %) углеводов, молекулы которых соединены либо с белка­ми (гликопротеиды), либо с липидами (гли-колипиды) и образуют гликокаликс, стро­ение и функции которого у разных клеток могут различаться. Углеводы участвуют в ре­цепции биологически активных веществ, ре­акциях иммунитета. Структурную основу клеточной мембраны (матрикс) составляет бимолекулярный слой фосфолипидов, явля­ющихся барьером для заряженных частиц и молекул водорастворимых веществ. Липиды обеспечивают высокое электрическое сопро­тивление мембраны клетки, например в ней­ронах — до 100 Ом/см².

Молекулы фосфолипидов мембраны состоят из двух частей: одна из них несет заряд и гидрофильна, другая не заряжена и гидро-фобна. Это определяет способность липидов самопроизвольно образовывать двухслойные мембранные структуры под влиянием собст­венных зарядов. В клеточной мембране за­ряженные гидрофильные участки молекул фосфолипидов от одних молекул направле­ны внутрь клетки, а от других — наружу клетки. В толще клеточной мембраны моле­кулы фосфолипидов взаимодействуют неза­ряженными гидрофобными участками (они «спрятаны» от внутриклеточной и внекле­точной воды). В липидном слое клеточных мембран содержится много холестерина. Обмен липидов в отличие от белков проис­ходит медленнее. Однако возбуждение, на­пример, нейронов мозга приводит к умень­шению содержания в них липидов. В част­ности, после длительной умственной рабо­ты, при утомлении количество фосфолипи­дов в нейронах уменьшается (может быть, это связано с более яркой памятью у лиц напряженного умственного труда). Состав

17

мембранных липидов определяется средой обитания и характером питания. Так, увели­чение растительных жиров в пищевом ра­ционе поддерживает жидкое состояние ли­пидов клеточных мембран и улучшает их функции. Избыток холестерина в мембранах увеличивает их микровязкость, ухудшает транспортные функции клеточной мембра­ны. Однако недостаток жирных кислот и хо­лестерина в пище нарушает липидный со­став и функции клеточных мембран.

Молекулы белков встроены в фосфолипид-ный матрикс клеточной мембраны. В клеточ­ных мембранах встречаются тысячи различ­ных белков, которые можно объединить в ос­новные классы: структурные белки, перенос­чики, ферменты, белки, образующие каналы, ионные насосы, специфические рецепторы. Один и тот же белок может быть рецептором, ферментом и насосом. Каналы образова­ны белковыми молекулами, вкрапленными в липидный матрикс, они пронизывают мем­брану. Через эти каналы могут проходить по­лярные молекулы. Многие мембранные белки, так же как и фосфолипиды, состоят из двух частей — заряженной и незаряженной. Незаряженные участки белков погружены в липидный слой, не несущий заряда. Заря­женные участки белков взаимодействуют с заряженными участками липидов, что явля­ется важным фактором, определяющим взаи­морасположение структурных элементов кле­точной мембраны и ее прочность. Большин­ство белков, пронизывающих липидный слой, прочно связано с фосфолипидами (интегральные белки), главной их функцией является транспорт веществ через клеточную мембрану. Большая часть интег­ральных белков — гликопротеиды. Белки, прикрепленные к поверхности клеточной мембраны (в основном к внутренней ее части), называют периферическими. Они, как правило, являются ферментами: это ацетилхолинэстераза, фосфатазы, аденилат-циклаза, протеинкиназы. Некоторые интег­ральные белки также выполняют функцию ферментов, например АТФаза. Рецепторами и антигенами мембраны могут быть как ин­тегральные, так и периферические белки. Белки, примыкающие к мембране с внутрен­ней стороны, являются также составной час­тью цитоскелета, который обеспечивает до­полнительную прочность клеточной мембра­ны и эластичность. Обновление белков мем­браны происходит очень быстро — в течение 2—5 дней (срок их жизни).

Большинство клеток организма имеет от­рицательный поверхностный заряд, который

обеспечивается выступающей из мембраны клетки углеводной частью гликолипидов, фосфолипидов, гликопротеидов (см. раздел 4.2.2). Мембрана обладает текучестью: от­дельные ее части могут перемещаться из одного участка к другому.

Клеточные мембраны обладают избира­тельной проницаемостью: одни вещества пропускают, другие нет. В частности, мем­брана легко проницаема для жирораствори­мых веществ, проникающих через липидный слой; большинство мембран пропускает воду. Анионы органических кислот не проходят через мембрану. Но имеются каналы, избира­тельно пропускающие ионы К⁺, Na⁺, Ca²⁺, СГ.

2.4. ФУНКЦИИ КЛЕТОЧНОЙ МЕМБРАНЫ

Основными функциями клеточной мембра­ны являются следующие.

L Барьерная (защитная) функция — наи­более очевидная функция клеточной мембра­ны, образующей поверхностную оболочку клетки. Особую роль в выполнении этой функции играют клеточные мембраны эпите­лиальной ткани. Они образуют обычно по­верхности, отделяющие внутреннюю среду организма от внешней среды. Это относится также к легким и к желудочно-кишечному тракту. Барьерная функция клеточных мем­бран нарушается при многих патологических процессах (атеросклероз, гипоксия, интокси­кация, раковое перерождение). Многие ле­карственные вещества реализуют свое влия­ние посредством действия на мембрану, при ее повреждении эффекты лекарственных ве­ществ могут изменяться. Клетки, образую­щие наружный слой эпителия, обычно со­единены с помощью плотных контактов, ко­торые ограничивают межклеточный перенос веществ.

2. Восприятие изменений внешней и внут­ренней среды организма с помощью специ­альных структур — рецепторов, обеспечива­ющих узнавание различных раздражителей и реагирование на них. Клеточная мембрана располагает большим набором рецепторов, обладающих специфической чувствительнос­тью к различным агентам — гормонам, меди­аторам, антигенам, химическим и физичес­ким раздражителям. Рецепторы отвечают за взаимное распознавание клеток, развитие иммунитета. Рецепторами на поверхности клеток могут служить гликопротеиды и гли-колипиды мембран. Рецептор активирует G-белок мембраны, который с помощью фермента-предшественника, расположенно-

18

Рис. 2.1. Потенциалы действия различных клеток животных и растений.

А — тыквы; Б — яйцеклетки круглого червя; В — гипофиза крысы; Г — поджелудочной железы крысы (по Г.Шеперду, 1987).

го на внутренней поверхности клеточной мембраны, активирует второй посредник, ре­ализующий эффект от раздражителя. После­довательность может быть, например, такой: адреналин — р-адренорецептор-05-белок — аденилатциклаза-АТФ-цАМФ — протеинки-наза — фосфорилирование белков — измене­ние метаболизма и функций клетки. Воспри­ятие физических и химических раздражите­лей (изменений внутренней и внешней среды организма) у возбудимых клеток осуществля­ется с помощью трансформации энергии раз­дражения в нервный импульс.

3. Создание электрического заряда клетки обеспечивает клеткам возбудимых тканей возникновение локального потенциала, по­ тенциала действия (возбуждения) и проведе­ ние последнего (см. раздел 5.2.2). Распро­ странение возбуждения обеспечивает бы­ струю связь возбудимых клеток между собой, а также посылку эфферентного сигнала от нервной клетки к эффекторной (исполни­ тельной) и получение обратных (афферент­ ных) импульсов от нее. Практически все живые клетки имеют электрический заряд, но лишь немногие из них способны генери­ ровать потенциал действия (рис. 2.1).

4. Выработка биологически активных ве­ ществ —- простагландинов, тромбоксанов, лейкотриенов, оказывающих сильное влия­ ние на адгезию тромбоцитов и "процесс вос­ паления.

5. Транспортная функция вместе с барьер­ ной обеспечивает относительно постоянный состав веществ в клетке и ее электрический заряд. Наличие концентрационных и элект­ рических градиентов различных веществ и

ионов вне и внутри клетки свидетельствует о том, что клеточная мембрана осуществля­ет тонкую регуляцию содержания в цито­плазме ионов и молекул. Благодаря транс­порту частиц формируется состав внутри­клеточной среды, наиболее благоприятный для оптимального протекания метаболичес­ких реакций.