Основные клеточные органеллы и их функции

Органеллы	Основные функции
Ядро (содержит хромосомы)	Синтез мРНК на матрице ДНК (транскрипция)
Митохондрия	Синтеза АТФ (цикл лимонной кислоты, окислительное фосфорилирование), клеточное дыхание, синтез митохондриальных белков
Рибосома	Сборка полипептида (трансляция)
Эндоплазматическая сеть	Синтез белков (на шероховатой ЭПС), синтез липидов, стероидов (на гладкой ЭПС)
Аппарат Гольджи	Биохимическая модификация веществ (сульфатирование, фосфорилирование белков, гликозилирование белков и липидов и др.) Внутриклеточная сортировка белков и транспортировка их по месту назначения (лизосомы, секреторные пузырьки, цитоплазматическая мембрана)
Лизосома	Внутриклеточное расщепление
Пероксисома	Расщепление перекиси водорода, разрушение жирных кислот, аминокислот
Цитоскелет	Опорная функция, межклеточные контакты, деление клетки, подвижность клетки, внутриклеточный транспорт и др.
Центриоли	Сборка микротрубочек, деление клетки
Пластиды: хлоропласты лейкопласты	Фотосинтез Окрашивание листьев и плодов, запасающая функция
Вакуоли с клеточным соком	Обеспечение тургорного и осмотического давления, запасающая функция (вода, органические и неорганические вещества)

Апоптоз. Апоптоз – генетически запрограммированная смерть клетки. Все клетки многоклеточных организмов генетически запрограммированы на гибель. Апоптоз происходит во время нормального развития организма, а также может быть результатом рака, ВИЧ-инфекции, болезни Альцгеймера.

Апоптоз обнаруживается на ранних стадиях эмбрионального развития и способствует нормальной дифференцировке клеток и развитию организма. Апоптоз в онтогенезе – необходимый элемент общей программы развития каждого организма. Во время нормального развития организма апоптоз возникает в клетках при формировании формы или структуры органа. Так, постэмбриональное развитие некоторых насекомых и земноводных происходит с метаморфозом: у личинок насекомых после окукливания разрушается большинство внутренних органов, у головастиков резорбируются (рассасываются) хвост, кишечник и жаберные крышки. В ходе эмбрионального развития высших позвоночных и человека также имеет место дегенерация и исчезновение вначале имевшихся органов. У эмбриона человека ребра вначале закладываются у VII шейного и IX и X хвостовых позвонков, затем исчезают и закладки этих ребер и зачатки хвоста, так что шейные позвонки ребер не несут, и в копчике остается лишь 4–5 позвонков. Образование полостей тела и просветов сосудов также сопровождается гибелью клеток. В нервной системе возникает больше нервных клеток, чем затем сохраняется, так как часть нейронов, не установивших синаптических связей с другими клетками-мишенями, погибает. Апоптоз необходим также для иммунного ответа. Один из механизмов защиты предполагает значительное увеличение количества лимфоцитов, продуцирующих антитела, при внедрении чужеродного организма. Как только внедрившийся чужеродный организм уничтожен, большинство этих специфических лимфоцитов уничтожается с помощью апоптоза. Механизм удаления ненужных клеток необходим для выживания организма.

Наилучшим образом генетический контроль апоптоза иллюстрирует недавно открытый ген p53. Белок, контролируемый этим геном, обладает способностью при определенных условиях блокировать клеточное деление запускать механизмы апоптоза. За изучение генетики и молекулярных механизмов апоптоза, открытие гена p53 ученые С. Бреннер, Дж. Салстон и Р. Хорвиц удостоены Нобелевской премии по физиологии и медицине в 2002 г.

Наиболее изучены процессы гибели клеток при образовании итоговой формы конечностей птиц и млекопитающих. На начальной стадии развития у куриного эмбриона формируется почка конечности, в которой костные и хрящевые элементы покрыты слоем кожи. Когда развитие куриного эмбриона достигает определенного этапа, клетки кожи, соединяющие зачатки пальцев, гибнут. Гены BMP4 (костные морфогенетические белки BMPs; bone morphogenetic proteins) кодируют белок, запуская апоптоз в клетках кожи между пальцами. На определенном этапе этот процесс останавливается действием гена BMP. Механизм запуска апоптоза клеток перепонок между пальцами и остановка апоптоза контролируется двумя функционально противоположными генами.

Взрослому организму апоптоз необходим для освобождения от стареющих, генетически поврежденных клеток, клеток ракового перерождения, от избытка лимфоцитов в инфицированном организме и т. д. Апоптоз проявляется в деструкции хроматина, уменьшении объема клетки, фрагментации клеточного ядра.

На молекулярном уровне апоптоз представляет собой многоэтапный процесс, который начинается с приема определенного сигнала и заканчивается деструкцией клеточных молекул и структур под действием литических ферментов. Каспазы – ключевые ферменты апоптоза. Сигнал воспринимается определенными рецепторами, передается молекулам-посредникам (адаптерам, мессенджерам) и достигает ядра клетки, где происходит активация генов, определяющих развитие апоптоза.

Раковые перерождения клеток под действием онкогенных вирусов многие исследователи связывают с нарушением системы апоптоза, в результате чего клетки переходят к нелимитированному делению. Установлено также, что у ВИЧ-инфицированного организма значительную часть погибших клеток иммунной системы составляют здоровые, неинфицированные Т-лимфоциты, так как белки ВИЧ вызывают усиление влияния апоптоза на эти клетки.

Межклеточные соединения. Клетки организма формируют ткани. В тех тканях, где клетки плотно примыкают друг к другу образуются особые соединения – клеточные контакты. При этом мембраны могут плотно примыкать друг к другу, либо соединяться через особые белки и межмембранные пространства. Во многих случаях в формировании межклеточных контактов могут участвовать белки цитоскелета. Различные типы межклеточных контактов выполняют разные функции: удержание клеток вместе; регулирование проведения ионов и различных молекул; передача сигналов. Можно выделить три основных типа соединений между клетками: плотные контакты, адгезивные и щелевые.

Плотные контакты удерживают клетки вместе (рис. 4.54). Контакты расположены на границах, примыкающих к эпителиальным клеткам, и образуют барьер для движения ионов или растворов через эпителий. У контактов может быть разная проницаемость для различных растворов. Плотные соединения обычно локализуются между эпителиальными клетками тех органов (в желудке, кишечнике и др.), в которых эпителий ограничивает агрессивное содержимое этих органов (желудочный, кишечный соки). Плотные контакты находятся только между апикальными (верхушечными) частями эпителиальных клеток, охватывая по всему периметру каждую клетку. В этих местах межмембранные белки отсутствуют, а билипидные слои соседних плазмолемм сливаются в одну общую билипидную мембрану. Функциональная роль плотных контактов – прочная механическая связь клеток, препятствие транспорту веществ по межклеточным пространствам.

Рис. 4.54. Схема формирования плотных контактов

Мембранные белки – клаудины регулируют прохождение небольших ионов через промежутки между клетками (рис. 4.55). Мутация клаудина-16, (который образуется в дистальном извитом канальце почках, где происходит реабсорбция магния) приводит к развитию синдрома Гительмана. Данное заболевание проявляется пониженным содержанием в крови калия (гипокалиемия) и метаболическим алкалозом (рН_крови < 7,0)). При этом не происходит обратного всасывания ионов магния в почечные канальцы.

Некоторые вирусы используют мембранные белки плотных контактов для проникновения в клетку, в частности клаудин-1 является одним из рецепторов для прикрепления к клетке вируса гепатита С.

Плотные контакты могут быть мишенью и для болезнетворных бактерий, например, Clostridium perfringens — возбудитель газовой гангрены, выделяет энтеротоксин, действующий на внеклеточные участки мембранных белков клаудинов и вызывает «протечки» эпителия. Helicobacter pylori — возбудитель гастрита — вводит в клетки белок CagA, что помогает бактерии преодолеть защитный барьер желудочного эпителия.

Рис. 4.55. Схема формирования межклеточных контактов

Адгезивные контакты находятся на базальной стороне клетки, обращенной к бесклеточному слою, отделяющему соединительную ткань от эпителия. Такие контакты содержат белки кадгерины, они обеспечивают контакты соседних клеток и являются основным местом прикрепления для внутриклеточных микрофиламентов цитоскелета. Промежуточные филаменты прикрепляются к десмосомам, которые представляют собой участки утолщения мембраны между двумя контактирующими клетками. Адгезивные контакты встречаются между клетками, подвергающимися трению и другим механическим воздействиям (эпителиальные клетки, клетки сердечной мышцы).

Десмосомные контакты или «пятна сцепления» представляют собой небольшие участки взаимодействия между клетками, диаметром около 0,5 мкм. Каждый такой участок (десмосома) имеет трехслойное строение и состоит из двух электронноплотных участков, расположенных в цитоплазме в местах контакта клеток и скопления электронноплотного материала в межмембранном пространстве (15–20 нм). Число десмосом на одной клетке может достигать до двух тысяч. Функциональная роль десмосом – обеспечение механической связи между клетками. Полудесмосомы прикрепляют клетки к базальному слою и также связаны с промежуточными филаментами. Трансмембранные интегрины связывают внеклеточный матрикс с микрофиламентами в тех участках, где клетки также прикрепляются к базальной мембране. При некоторых дерматологических аутоиммунных заболеваниях – пузырчатка обыкновенная и пузырчатка пластинчатая – в организме вырабатываются антитела, вызывающие разрушения адгезивных контактов, присоединяясь к белкам десмосом, таким как десмоглеин. У больных образуются пузыри, так как слои эпидермиса разрываются, часть его клеток гибнет, а в образующиеся полости поступает межклеточная жидкость, появляются инфицированные, гнойные язвы.

Щелевые контакты представляют собой ограниченные участки контакта соседних мембран диаметром 0,5…3 мкм, в которых билипидные мембраны сближены на расстоянии 2–3 нм. (рис. 4.56), а обе мембраны пронизаны в поперечном направлении белковыми молекулами коннексонами, содержащими гидрофильные каналы. Через эти каналы осуществляется обмен ионами и микромолекулами соседних клеток, чем обеспечивается их функциональная связь. Например, распространение биопотенциалов между клетками сердечной мышцы, содружественное сокращение мышц в миокарде. Щелевые контакты позволяют веществам проходить непосредственно между клеткам.

Рис. 4.56. Схема формирования щелевого контакта:

а, б, в – распишите что есть что

Белковые каналы коннексоны выстраиваются в продольную линию между примыкающими клетками и позволяют проходить растворенным веществам с молекулярным весом до 100 кДа (например, аминокислоты и сахара), а также ионам, химическим сигнальным молекулам (мессенджерам) и другим факторам. Диаметр этих каналов регулируется внутриклеточным Са²⁺, рН и разностью потенциалов ионов натрия и калия. Коннексоны состоят из шести субъединиц, которые окружают канал. Мутантные коннексоны могут вызывать нарушения, такие, как Х-сцепленная форма заболевании Шарко–Мэри–Тут, связанного с поражением нервной системы.

Молекулы клеточной адгезии (мембранные белки, участвующие в процессе связывания клетки с внеклеточным матриксом и другими клетками) и рецепторы адгезии необходимы для структурной организации тканей. Также они нужны для дифференцировки тканей в процессе эмбрионального развития организма и при регенерации тканей. Существует четыре основных семейства молекул клеточной адгезии: кадгерины, интегрины, семейство иммуноглобулинов и селектины. Кадгерины образуют связи между соседними клетками в виде структуры, напоминающей застежку-«молния» в области адгезивных контактов. Через эти контакты пучки актиновых филаментов распространяются от одной клетки к другой. Родственные молекулы, такие как десмоглеин, образуют основные компоненты десмосом, межклеточных контактов, обнаруживаемых в большом количестве между эпителиальными клетками.

Десмосомы служат местами закрепления для промежуточных филаментов цитоскелета (рис. 4.57). Когда искусственно разделенные эмбриональные клетки выращиваются в чашках Петри, они самостоятельно собираются в группы по типу тканей, из которых эти клетки были получены. Гомофильное (подобное к подобному) взаимодействие кадгеринов является основой такого объединения и имеет ключевую роль в сборке эмбриональных тканей, определяя миграцию клеток и дифференцировку тканей у эмбриона.

Рис. 4.57. Схема строения десмосомы

Например, когда клетки нервного гребня прекращают образование белка, N- CAM (см. далее) и N- кадгерина и начинают формировать интегриновые рецепторы, то эти клетки могут отделяться и начинать мигрировать по внеклеточному матриксу. Из них в дальнейшем образуются, например, ганглии вегетативной нервной системы и др.

Интегрины являются мембранными гликопротеинами, состоящими из α- и β-субъединиц, которые существуют в активной и неактивной формах. Интегрины связываются, главным образом, с внеклеточными компонентами в матриксе, такими как фибриноген, эластаза, и ламинин. Особенностью интегринов является то, что активная форма может образовываться в результате цитоплазматического сигнала, который вызывает структурные изменения во внеклеточном участке белковой молекулы, увеличивая сродство к лиганду. Такая передача сигнала изнутри–наружу происходит в клетке, когда лейкоциты стимулируются бактериальными пептидами. Быстро увеличивается сродство интегринов лейкоцита к структурам иммуноглобулинов. Обратная передача сигнала снаружи–внутрь происходит после связывания лиганда с интегрином и стимулирует вторичные сигналы, приводя к различным событиям, таким как эндоцитоз, пролиферация и апоптоз. Нарушение структуры интегринов ассоциировано со многими иммунологическими болезнями и нарушениями свертывания крови.

Семейства иммуноглобулиновых молекул клеточной адгезии нервных клеток обнаруживаются преимущественно в нервной системе (белки N-CAM); они участвуют в гомофильной адгезии (подобное к подобному) и опосредованно стимулируют рост нервных клеток.

Селектины, в отличие от большинства молекул адгезии (которые связываются с другими белками), взаимодействуют с углеводородными молекулами или муциновыми комплексами на лейкоцитах и эндотелиальных клетках сосудистой и кровеносной систем.

Селектины обозначают в соответствии с типом ткани, в которой они впервые были обнаружены. Так L-селектины обнаруживаются на лейкоцитах, она опосредуют продвижение лимфоцитов в лимфатические железы; Е-селектин появляется на эндотелиальных клетках после того, как они активируются воспалительными цитокинами; небольшое количество Е-селектина в стенках многих сосудов, по-видимому, необходимо для миграции лейкоцитов; Р-селектин запасается в альфа гранулах тромбоцитов и в клетках эндотелия, но быстро перемещается в плазматическую мембрану при стимуляции этих клеток. Все три указанных селектина участвуют в процессе «роллинга» (перекатывания, качения) лейкоцитов. Селектины, интегрины и иммуноглобулиновые молекулы клеточной адгезии обеспечивают миграцию лейкоцитов из ткани в очаг повреждения в ткани. Направленная миграция обеспечивается химическими сигналами, исходящими из очага повреждения (рис. 4.58).

Рис. 4.58. Схема миграции лейкоцитов из сосудистого русла в ткани:

1 – случайные контактные взаимодействия между лейкоцитами (Л) и эндотелиальными клетками (ЭК) с дальнейшим возвращением лейкоцитов в кровоток; 2 – качение лейкоцитов по поверхности ЭК; 3 – остановка качения лейкоцитов, их активация, прочное прикрепление к ЭК с распластыванием на клетках; 4 – миграция лейкоцитов через пласт ЭК и базальную мембрану (БМ); 5 – миграция лейкоцитов за пределами сосуда

Активация эндотелиальных клеток, лейкоцитов и направленная миграция последних опосредуются химическими сигналами, исходящими из очага повреждения (прерывистые стрелки на рис. 4.58).