45. •Лизосомы

А. Структура и состав

Лизосомы — это органеллы диаметром 0,2-2,0 мкм, окруженные простой мембраной, способные принимать самые разные формы. Обычно на клетку приходится несколько сотен лизосом. Функция лизосом заключается в деградации клеточных компонентов. Деградация достигается за счет присутствия в лизосомах около 40 типов различных расщепляющих ферментов — гидролаз с оптимумом действия в кислой области. Главный фермент лизосом — кислая фосфатаза. В мембране лизосом находятся АТФ-зависимые протонные насосы вакуольного типа. Они обогащают лизосомы протонами, вследствие чего для внутренней среды лизосом рН 4,5-5,0 (в то время как в цитоплазме рН 7,0-7,3). Лизосомные ферменты имеют оптимум рН около 5,0, т. е. в кислой области. При рН, близких к нейтральным, характерным для цитоплазмы, эти ферменты обладают низкой активностью. Очевидно, это служит механизмом защиты клеток от самопереваривания о том случае, если лизосомный фермент случайно попадет в цитоплазму.

Б. Функции

Главная функция лизосом — ферментативная деградация попавших в них макромолекул и органелл. Примером может служить деградация отработавших митохондрий по механизмуаутофагии (захвата органеллы) (1). После захвата органеллы первичные лизосомы превращаются во вторичные, в которых и идет процесс гидролитического расщепления (2). В итоге образуются «остаточные тела», состоящие из негидролизовавшихся фрагментов. Лизосомы ответственны также за деградацию макромолекул и частиц, захваченных клетками путем эндоцитоза и фагоцитоза, например липопротеинов, протеогормонов и бактерий (гетерофагия). В этом случае лизосомы сливаются с эндосомами (3), содержащими вещества, подлежащие деградации.

46. •Микротельца

Микротельца — это окруженные одинарной мембраной пузырьки сферической формы, более мелкие, чем лизосомы. Их диаметр равен 0,5—1,5 мкм. Микротель­ца возникают из ЭПР. Основная функция — накопление и изоляция ферментов. Пероксисомы содержат ряд окислительных ферментов (каталаза, гликолатоксидаза и др.) и осуществляют окисление различных соединений с образованием перекиси водорода Н₂0₂. В пероксисомах проходят отдельные этапы процесса фотодыхания. Другой тип микротелец глиоксисомы встречаются в масличных семенах и в других тканях растений, накапливающих масла. Содержат те же ферменты, что и перок­сисомы, а также ферменты глиоксалатного цикла, которые участвуют в расщепле­нии запасных жиров до Сахаров. В проростках этот процесс используется как постав­щик энергии для роста. В растительной клетке масла собираются в специальные органеллы, которые иногда называют липидными тельцами или олеосомами. Они окружены однослойной мембраной, состоящей из фосфолипидов, которые гидро­фобной частью повернуты внутрь к полости органеллы. В мембране имеются спе­циальные белки олеосины. Липиды олеосом при прорастании семян разрушаются и с помощью ферментов глиоксосом подвергаются изменениям.

47. Гладкий ретикулум и другие мембранные вакуоли

Гладкий(агранулярный) эндоплазматический ретикулум.  Гладкий ЭПР представляет собой часть мембранной вакуолярной системы. В морфологическом отношении он также представлен мембранами, образующими мелкие вакуоли и трубки, канальцы, которые могут ветвиться, сливаться друг с другом. В отличие от гранулярного на мембранах гладкого ЭПР нет рибосом. Диаметр вакуолей и канальцев гладкого ЭПР обычно около 50-100 нм. Выраженность сети из этих мембранных элементов может быть неодинаковой как для различных клеток, так и внутри одной клетки. Большей частью такие гладкие канальцы образуют скопления, или зоны. Так, в клетках эпителия кишечника гладкий ЭПР локализуется главным образом в апикальной, верхней части клетки, вблизи всасывающей поверхности. В клетках печени зоны гладкого ЭПР часто связаны с местами отложения гликогена. Встречаются клетки, где гладкий ЭПР занимает большую часть объема цитоплазмы (например, в интерстициальных клетках семенника, в растительных железистых терпеноидогенных клетках).  Неоднократно была установлена непрерывность перехода между гладкой формой ЭПР и гранулярной его формой. Часто можно наблюдать, как цистерна гранулярного ЭПР теряет на своей поверхности рибосомы и становится «гладкой». При этом такой участок цистерны делается неровным, начинает как бы ветвиться, переходя в трубочки и канальцы гладкого ЭПР. Этот участок часто называют переходным из-за того, что именно здесь образуются и отделяются

транспортные пузырьки, переносящие новосинтезированные белки и липиды к зоне аппарата Гольджи. Гладкий ЭПР является вторичным по отношению к гранулярному ЭПР, т.е. происходит из последнего. Так, у крысенка перед рождением в печеночных клетках образуется большое количество гранулярного ЭПР, но сразу после рождения появляется масса трубочек гладкого ЭПР. Ряд биохимических, морфологических и радиоавтографических данных приводит к заключению, что гранулярный ЭПР увеличивается в объеме, растет за счет синтезирующихся мембран, которые остаются в его составе, или, потеряв рибосомы, превращается в гладкий ЭПР. Например, при использовании радиоактивных предшественников мембранных компонентов и при получении отдельных фракций гладкого и гранулярного ЭПР было обнаружено, что при интенсивном разрастании гладкого ЭПР метка вначале появляется в гранулярном ЭПР и только спустя некоторое время — в гладком ЭПР. Несмотря на топографическую связь и общность происхождения, эти два представителя ЭПР резко отличаются друг от друга в функциональном отношении. Как уже указывалось, отсутствие рибосом на гладком ЭПР прямо говорит о его непричастности к синтезу белков. Деятельность гладкого ЭПР скорее можно связать с метаболизмом липидов и некоторых внутриклеточных полисахаридов. Участие гладкого ЭПР в синтезе триглицеридов и липидов было показано при изучении процессов всасывания жиров клетками кишечного эпителия. В просвете кишечника жиры распадаются до жирных кислот и моноглицеридов. В апикальных участках клеток кишечника видно при этом накопление осмиофильных гранул внутри просветов канальцев гладкого ЭПР. Это связано с ресинтезом новых триглицеридов из поступивших в клетку предшественников с образованием липидов и липопротеидов, которые с помощью вакуолей аппарата Гольджи выводятся из клеток и попадают в лимфатическое русло. Мелкие капли липидов иногда в комплексе с белками можно наблюдать и в клетках печени, причем эти капли встречаются в полостях гладкого ЭПР около зоны аппарата Гольджи. Если крысам давать вещества, приводящие к образованию отложений больших капель жира(жировая дистрофия), то первые мелкие липидные капельки появляются в гладком ЭПР, но иногда и в полостях гранулярного ЭПР.Гладкий ЭПР особенно в большом объеме встречается в клетках, секретирующих стероиды, в частности в клетках коркового вещества надпочечника. Основные ферменты синтеза стероидов были обнаружены во фракциях микросом, образовавшихся при разрушении гладкого ЭПР из этих клеток. Гладким ретикулумом богаты интерстициальные клетки семенников, участвующие в синтезе стероидных гормонов, а также клетки сальных желез в самом начале накопления жира.Тесная топографическая связь гладкого ЭПР с отложениями гликогена (запасного внутриклеточного полисахарида животных и грибов) в гиалоплазме различных клеток говорит о его участии в метаболизме углеводов. В клетках печени, в мышечных волокнах гликоген откладывается в зонах, свободных от гранулярных цистерн ЭПР, но богатых пузырьками и канальцами гладкого ЭПР. Такие зоны гладкого ЭПР могут увеличиваться в размере как при исчезновении гликогена (например, при голодании), так и при увеличении его отложений.

Центральные вакуоли растений выполняют многообразные и важные функции. Одной из главных их функций является поддержание тургорного давления клеток. Растворенные в соке вакуолей молекулы определяют его осмотическую концентрацию. Соответствующая молекулярная концентрация сока вакуолей и полупроницаемые свойства как ее мембраны (тонопласта), так и плазмалеммы способствуют тому, что вакуоли функционируют в качестве осмометра и придают клетке необходимую прочность и тургисцентность (напряженность). Другая функция определяется тем, что вакуоль представляет собой большую полость, отделенную от метаболизирующей гиалоплазмы мембраной (тонопластом), обладающей свойствами полупроницаемости. Через нее, как и через плазматическую мембрану, может идти активный транспорт различных молекул. В тонопласте обнаружен АТФ-зависимый Н+-насос, направленный внутрь вакуолей и участвующий в транспорте сахаров. Поэтому вакуоли могут использоваться клетками в качестве накопительных резервуаров, где не только откладываются запасные вещества, но и собираются метаболиты, предназначенные для экскреции. Так выводятся (секретируются) из клетки все водорастворимые метаболиты. Нерастворимые в воде органические компоненты могут превращаться в растворимые глюкозиды, соединяясь с молекулами сахаров. Перечень экскретируемых в вакуоли метаболитов очень обширен. Это различные алкалоиды (например, никотин, кофеин) и полифенолы. В вакуолях происходит отложение многих глюкозидов, к которым относятся различные пигменты, например антоцианы. Из неорганических веществ в вакуолярном соке накапливаются фосфаты калия, натрия, кальция, могут запасаться соли органических кислот (оксалаты, цитраты и др.). Это придает вакуолярному соку отчетливую кислую реакцию (рН от 2 до 5). Таким образом, можно считать, что тонопласт участвует в процессах экскреции. Другой обширный ряд функций вакуолей связан с накоплением запасных веществ, таких как сахара и белки. Сахара в вакуолях содержатся в виде растворов, встречаются и резервные полисахариды типа инулина. В вакуолях откладываются запасные белки, что характерно для семян. Поступление белков в вакуоли, вероятнее всего, связано со способностью вакуолей ЭПР и АГ сливаться с тонопластом. Запасание белков семян злаковых происходит в так называемых алейроновых вакуолях, которые заполняются альбуминами и глобулинами, после чего вакуоли обезвоживаются, превращаясь в твердые алейроновые зерна. При прорастании семян эти зерна обводняются и снова превращаются в вакуоли. В таких новообразованных вакуолях выявляется активность некоторых ферментов: кислой фосфатазы, α-амилазы, глюкозидазы, прогеиназы и РНКазы. Следовательно, алейроновые вакуоли отчасти напоминают лизосомы, где происходит переваривание запасных белков при прорастании семян. Гидролитические ферменты были обнаружены не только в алейроновых вакуолях, но в мелких и крупных центральных вакуолях. Наблюдалась неоднократно инвагинация (впячивание) тонопласта внутрь вакуолей, при этом часть «втянутого» материала оказывалась в полости вакуоли и там деградировала. Возможно, так выполняется аутофагическая функция вакуолей, участвующих в гидролизе дефектных клеточных компонентов. Лизосомными свойствами обладают вакуоли дрожжей. Обнаружено, что стенки вакуолей дрожжей тоже могут образовывать впячивания внутрь, затем они отщепляются от тонопласта и растворяются внутри вакуоли.

48. Гранулярный ретикулум

49. Рибосомы. Биосинтез белка на рибосомах

Третий тип РНК — это рибосомная РНК, из которой примерно на 60% состоит рибосома. Оставшуюся часть рибосомы составляют около 75 структурных белков и ферментов, необходимых для синтеза белка. Рибосомы — цитоплазматические органеллы, на которых происходит синтез белка. Рибосомы могут функционировать только в комплексе с двумя другими типами РНК — транспортной РНК, доставляющей аминокислоты к строящейся молекуле белка, и матричной РНК, служащей источником информации, необходимой для сборки заданной последовательности аминокислот. Таким образом, рибосому можно сравнить с мастерской по производству белковых молекул. Образование рибосом в ядрышках. Гены, отвечающие за синтез рибосомной РНК, располагаются в пяти парах хромосом и представлены в виде множества копий, что позволяет одновременно синтезировать большое количество рибосомной РНК, необходимой для реализации клеточных функций. Сформировавшиеся рибосомы накапливаются в ядрышках— специализированных структурах ядра, связанных с хромосомами. Если клетка синтезирует много белка, в ней образуется большое количество рибосомной РНК, поэтому ядрышки в этой клетке крупные. Напротив, в клетках, синтезирующих мало белка, ядрышки бывают даже не видны. Рибосомная РНК в ядрышках связывается с рибосомными белками с образованием глобулярных частиц, представляющих собой отдельные субъединицы рибосомы. Эти субъединицы отделяются от ядрышка, выходят из ядра через поры ядерной мембраны и распределяются почти по всей цитоплазме. Попав в цитоплазму, субъединицы собираются в зрелую функционирующую рибосому. Зрелых рибосом в ядре нет, поэтому синтез белка осуществляется только в цитоплазме клетки. Синтез белка на рибосомах клетки Прикрепившись к рибосоме, матричная РНК продвигается вдоль нее, начиная с того конца, на котором находится инициирующий кодон. По мере движения матричной РНК вдоль рибосомы постепенно формируется молекула белка. Этот процесс получил название трансляции. Рибосома считывает кодоны матричной РНК примерно так же, как воспроизводящая магнитная головка «читает» запись на движущейся по ней магнитофонной ленте. После того как терминирующий кодон открепится от рибосомы, синтез молекулы белка прекращается, и она оказывается свободно лежащей в цитоплазме. Полирибосомы. Одна матричная РНК может осуществлять синтез белковых молекул сразу на нескольких рибосомах, поскольку к ее инициирующему кодону могут поочередно прикрепляться одна рибосома за другой. При этом на каждой рибосоме будут находиться молекулы одного и того же белка на разных стадиях синтеза. На одной цепи матричной РНК могут находиться от 3 до 10 рибосом, такие группы рибосом называют полирибосомами. Важно подчеркнуть, что матричная РНК может осуществлять синтез белка на любой рибосоме. Другими словами, рибосомы неспецифичны по отношению к конкретному белку. Образно говоря, рибосомы — это производственные предприятия, на которых проводят химические реакции. Рибосомы в большом количестве связываются с мембраной эндоплазматического ретикулума. Это обусловлено тем, что начальные отрезки синтезируемых белковых молекул несут аминокислотные последовательности, быстро связывающиеся со специфическими рецепторами на мембране ретикулума, благодаря чему эти молекулы белка проходят через мембрану эндоплазматического ретикулума и оказываются в его просвете. Участки ретикулума, на которых идет синтез и транспортировка молекул белка через мембрану, имеют зернистую поверхность. Нужно подчеркнуть, что трансляция одной цепи матричной РНК осуществляется сразу на нескольких рибосомах и образующийся белок попадает внутрь эндоплазматического ретикулума, проходя через его мембрану. Следует также отметить, что большинство синтезированных на рибосомах белков (ферментов и внутриклеточных структурных белков) попадают непосредственно в цитозоль, а не в просвет ретикулума (исключение составляют лишь железистые клетки, где белок накапливается в большом количестве секреторных гранул). Стадии синтеза белка включают три этапа: (1) активация аминокислот при взаимодействии с АТФ и образование комплекса с аденозинмонофосфатом; на каждую такую реакцию затрачивается энергия двух макроэргических фосфатных связей; (2) связывание активированных аминокислот, обладающих избытком энергии, со специфическими транспортными РНК и образование комплекса аминокислота-мРНК с одновременным высвобождением аденозинмонофосфата; (3) прикрепление антикодона транспортной РНК, несущей аминокислоту, к кодону матричной РНК на рибосоме с выстраиванием определенной аминокислотной последовательности, образующей молекулу белка. Под действием фермента пептидилтрансферазы (одного из рибосомальных белков) между соседними аминокислотами образуются пептидные связи, благодаря которым аминокислотная последовательность постепенно удлиняется. Эти реакции требуют дополнительной энергии, высвобождающейся при разрыве двух макроэргических фосфатных связей, поэтому для прикрепления каждой аминокислоты к растущей пептидной цепи в общей сложности используются четыре фосфатные связи. Таким образом, синтез белка— один из самых энергоемких внутриклеточных процессов. Суть этой реакции заключается в отщеплении иона гидроксила (ОН~) от СООН-конца первой аминокислоты и иона водорода (Н+) от NH2-конца другой аминокислоты. Отщепленные ионы гидроксила и водорода взаимодействуют с образованием воды, а химически активные участки соседних аминокислот связываются друг с другом, превращаясь в единую молекулу. Такой вид соединения аминокислот называют пептидной связью. С прикреплением каждой новой аминокислоты к растущей полипептидной цепи добавляется одна пептидная связь. Тысячи ферментов, синтез которых осуществляется изложенным способом, участвуют практически во всех остальных реакциях, протекающих в клетке. Ферменты опосредуют синтез липидов, гликогена, пуринов, пиримидинов и сотен других веществ. Благодаря этим веществам клетка способна выполнять множество своих функций.