ЭУМК_Цитология и гистология

Цитология и гистология

Комплекс Гольджи выполняет в клетке разнообразные функции:

1.Концентрация и уплотнение экзогенных и эндогенных веществ

(упаковочный центр). Эта функция комплекса Гольджи заключается в том, что синтезированный на рибосомах эргастоплазмы белок отделяется и накапливается внутри цистерн эндоплазматической сети. По цистернам он транспортируется к зоне мембран пластинчатого комплекса. После концентрации и уплотнения от ампулярных расширений цистерн комплекса Гольджи отщепляются пузырьки, содержащие эти белки. Такие везикулы также могут сливаться друг с другом и увеличиваться в размерах, образуя секреторные гранулы. После этого секреторные гранулы передвигаются к плазмолемме, и, таким образом, содержимое гранул оказывается за пределами клетки. При этом процессе отдельные мелкие пузырьки с готовым продуктом отделяются от диктиосом. Затем они или разносятся по цитоплазме для внутреннего потребления клетки или сливаются в секреторные вакуоли. Эти вакуоли двигаются к поверхности клетки, где их мембрана сливается с плазматической и таким образом осуществляется выделение содержимого этих вакуолей за пределы клетки. Таким образом, аппарат Гольджи является промежуточным звеном между собственно синтезом секретируемого белка и выведением его из клетки.

2.Образование и регенерация плазматической мембраны. Так в полости комплекса Гольджи поступают молекулы целлюлозы, которые перемещаются на поверхность клетки и включаются в клеточную оболочку. В аппарате Гольджи растительных клеток происходит синтез полисахаридов матрикса клеточной стенки (гемицеллюлозы, пектины).

3.Модификация белков. В зоне комплекса Гольджи большинство белков подвергается модификации, заключающейся в образовании гликопротеидов и липопротеидов.

4.Образование первичных лизосом.

4.Лизосомы, классификация, строение и значение

Цитология и гистология

Всего в лизосомах обнаружено около 50 гидролитических ферментов (протеиназы, нуклеазы, глюкозидазы, фосфатазы, липазы и др.). Маркерным ферментом является кислая фосфатаза. Это самые мелкие мембранные органоиды, встречающиеся практически у всех эукариот. Однако частота встречаемости лизосом варьирует в зависимости от типа клеток. Так в тканях животных лизосомы чаще встречаются в клетках, поглощающих белковые и другие вещества. Это клетки кровеносной системы, клетки печени и почек.

Образование лизосом происходит за счет деятельности эндоплазматической сети и комплекса Гольджи. Основная функция их заключается в участии в процессах внутриклеточного расщепления как экзогенных, так и эндогенных биологических макромолекул.

Среди лизосом можно выделить три основных типа: первичные лизосомы, вторичные лизосомы, остаточные тельца.

Первичные лизосомы. В первичных лизосомах содержатся неактивные ферменты. Эти ферменты синтезируются в гранулярной эндоплазматической сети. Затем они поступают в комплекс Гольджи, где упаковываются в мелкие мембранные пузырьки – первичные лизосомы.

Вторичные лизосомы. При соединении первичной лизосомы с фагоцитарными или пиноцитозными вакуолями образуются вторичные лизосомы. При этом содержимое первичной лизосомы сливается с содержимым эндоцитозной вакуоли. В дальнейшем под действием ферментов первичной лизосомы поглощенный материал постепенно расщепляется до мономеров. Мономеры транспортируются через мембрану лизосомы в цитоплазму, где они включаются в метаболизм клетки. Например, при введении в организм мыши чужеродного белка пероксидазы наблюдается накопление его в эндоцитозных вакуолях. С этими вакуолями соединяются первичные лизосомы, обладающие кислой фосфатазой. В образовавшейся новой вакуоли обнаруживается как пероксидазная, так и фосфатазная активность.

Разновидностью вторичных лизосом являются аутолизосомы (аутофагосомы), которые постоянно встречаются в клетках простейших, растений и животных. В отличие от обычных вторичных лизосом в аутолизосомах встречаются фрагменты или даже целые цитоплазматические структуры (митохондрии, пластиды, рибосомы и т. д.). Функциональное значение их заключается в уничтожении дефектных структур клетки. Число аутофагосом возрастает при метаболических стрессах и различных повреждениях клеток.

Остаточные тельца, или телолизосомы. В ряде случаев переваривание биогенных макромолекул внутри лизосом может идти не до конца. В этом случае в полостях лизосом накапливаются непереваренные продукты. Такие лизосомы называют остаточными тельцами. Судьба остаточных телец может быть различной: одни из них выбрасываются из клетки путем экзоцитоза,

Цитология и гистология

другие же остаются в клетках вплоть до их гибели (например, липофусциновые гранулы). Так у простейших остаточные тельца выделяются во внешнюю среду. У человека при старении организма в остаточных тельцах клеток мозга, печени, мышечных волокон накапливается «пигмент старения» - липофусцин. Остаточные тельца содержат меньше гидролитических ферментов, в них происходит уплотнение содержимого, его перестройка. Часто в остаточных тельцах наблюдается вторичная структуризация неперевариваемых липидов, которые образуют слоистые структуры.

Функции лизосом

1.Внутриклеточное пищеварение. Это основная функция лизосом. За эту функцию лизосомы часто называют «пищеварительными станциями» клетки.

2.Изменение клеточных продуктов. Например, благодаря лизосомам, в

клетках щитовидной железы происходит преобразование тироглобулина в тироксин.

3.Переваривание дефектных клеточных органоидов. В некоторых случаях лизосомы также могут переварить отдельные органы. Например, исчезновение хвоста у головастика лягушек происходит под действием ферментов лизосом.

5.Вакуолярная система клеток растений

Вакуоли (от лат. vacuus – пустой) – полости в цитоплазме растительных клеток, ограниченные мембраной и заполненные жидкостью. Вакуоли содержатся в клетках как низших, так и высших растений. В последнем случае они достигают наибольшего развития. Вакуоли образуются в эндоплазматической сети и из пузырьков комплекса Гольджи. В молодых клетках вакуоли представлены системой мелких провакуолей. По мере роста и дифференцировки клетки провакуоли сливаются в одну или несколько крупных центральных вакуолей, занимающих основной объем клетки. В результате цитоплазма с ядром и органоидами оттесняется к периферии клетки (рисунок 4.4).

Рисунок 4.4. – Строение и расположение вакуоли

Цитология и гистология

Взависимости от типа и возраста клеток вакуоли занимают от 5 до 95% объема клетки. Чаще всего это величина составляет свыше 50% объема клетки. От цитоплазмы центральные вакуоли отделены тонкой (около 10 нм) одинарной мембраной, которая называется тонопласт. Полость вакуоли заполнена клеточным соком. Клеточный сок представляет собой водный раствор, в котором находятся различные неорганические соли, сахара, органические кислоты и их соли, а также другие низкомолекулярные и высокомолекулярные соединения.

Врастительной клетке вакуоли выполняют многообразные функции:

Регуляция водно-солевого обмена.

Поддержание тургорного давления в клетке. Тургор – это напряженное состояние клеточной оболочки, создаваемое гидростатическим давлением внутриклеточной жидкости. В сочетании с жесткой клеточной стенкой тургорное давление придает растительным клеткам большую прочность. Это позволяет достигать им больших размеров по сравнению с клетками животных. Все процессы увядания, автолиза и старения сопровождаются снижением тургорного давления.

Накопление различных веществ. Из органических веществ в вакуолях накапливаются углеводы и белки. Запасание белков особенно характерно для семян. Происходит оно в алейроновых вакуолях, которые после заполнения белками обезвоживаются и превращаются в твердые алейроновые зерна. При прорастании семян эти зерна обводняются и снова превращаются в вакуоли. Из неорганических веществ в вакуолярном соке накапливаются фосфаты калия, натрия, кальция, могут накапливаться соли органических кислот (оксалаты, цитраты и др.) Это придает вакуолярному соку кислую реакцию (рН от 2 до 5). В вакуолях могут накапливаться «красящие» вещества. Так антоцианы придают окраску лепесткам цветков, что способствует привлечению насекомыхопылителей. Возможно также накопление ядовитых веществ, которые предохраняют их от поедания травоядными животными. При повреждении клеток эти вещества высвобождаются из вакуолей и оказывают негативное действие на организм животного.

Выведение экскреторных веществ. Вакуоли используются не только для накопления различных веществ, но и для экскреции их из клетки. Так выводятся из клетки все водорастворимые метаболиты. Нерастворимые в воде органические компоненты могут превращаться в растворимые глюкозиды, соединяясь с молекулами сахаров.

Вопросы для самоконтроля:

1. Какие отличия между гранулярной и агранулярной ЭПС? 2. Какая важнейшая функция гранулярного ЭР? 3. Какие функции выполняет Аппарат Гольджи? 4. В чем отличие первичных, вторичных, третичных и четвертичных лизосом друг от друга? 6. В чем состоит роль лизосом? 7. Какая одна из важных функций растительных вакуолей? 8. Как называется мембрана, в которую заключена вакуоль? 9. Как называется жидкость, заполняющая растительную вакуоль? 10. Какую функцию выполняют вакуоли?

Цитология и гистология

ЛЕКЦИЯ 5 МИТОХОНДРИИ

1.Митохондрии, строение, функциональное значение.

2.Пластиды, строение, разновидности, функции.

1.Митохондрии, строение, функциональное значение

Митохондрии (mitochondriae) – энергетическая система клетки, органеллы синтеза АТФ. Их основная функция связана с окислением органических соединений и использованием освобождающейся при распаде этих соединений энергии для синтеза молекул АТФ. Исходя из этого, митохондрии часто называют энергетическими станциями клетки, или органеллами клеточного дыхания. Термин «митохондрия» был введен Бенда в 1897 г. для обозначения зернистых и нитчатых структур в цитоплазме разных клеток. Митохондрии можно наблюдать в живых клетках, так как они обладают достаточно высокой плотностью. В живых клетках митохондрии могут перемещаться, сливаться друг с другом, делиться.

Форма и размеры митохондрий животных клеток разнообразны, но в среднем толщина их около 0,5 мкм, а длина – от 1 до 10 мкм. Подсчеты показывают, что количество их в клетках сильно варьирует – от единичных элементов до сотен. Так, в клетке печени они составляют более 20 % общего объема цитоплазмы и содержат около 30–35 % общего количества белка в клетке. Площадь поверхности всех митохондрий печеночной клетки в 4-5 раз больше поверхности ее плазматической мембраны. Во многих случаях отдельные митохондрии могут иметь гигантские размеры и представлять собой разветвленную сеть – митохондриальный ретикулум. Так, например, в скелетных мышцах митохондриальный ретикулум представлен множеством разветвленных и гигантских митохондриальных тяжей. Гигантские разветвленные митохондрии встречаются в клетках проксимальных отделов нефронов и др.

Обычно митохондрии скапливаются вблизи тех участков цитоплазмы, где возникает потребность в АТФ. Так, в сердечной мышце митохондрии находятся вблизи миофибрилл. В сперматозоидах митохондрии образуют спиральный футляр вокруг оси жгутика и т.д. Увеличение числа митохондрий в клетках происходит путем деления, или почкования, исходных митохондрий.

Митохондрии ограничены двумя мембранами толщиной около 7 нм. Наружная митохондриальная мембрана отделяет их от гиалоплазмы. Обычно она имеет ровные контуры и замкнута, так что представляет собой

Цитология и гистология

мембранный мешок. Внешнюю мембрану от внутренней отделяет межмембранное пространство шириной около 10–20 нм. Внутренняя митохондриальная мембрана ограничивает собственно внутреннее содержимое митохондрии, ее матрикс. Характерной чертой внутренних мембран митохондрий является их способность образовывать многочисленные выпячивания внутрь митохондрий. Такие выпячивания чаще всего имеют вид плоских гребней, или крист (рисунок 5.1).

Рисунок 5.1 – Строение митохондрий

2.Свойства митохондриальных мембран, кристы, матрикс.

Матрикс митохондрий имеет тонкозернистое строение, в нем иногда выявляются тонкие нити (толщиной около 2-3 нм) и гранулы размером около 1520 нм. Нити матрикса митохондрий представляют собой молекулы ДНК, а мелкие гранулы – митохондриальные рибосомы. Основной функцией митохондрий является синтез АТФ, происходящий в результате процессов окисления органических субстратов и фосфорилирования АДФ. Начальные этапы этих сложных процессов совершаются в гиалоплазме. Здесь происходит первичное окисление субстратов (например, сахаров) до пировиноградной кислоты (пирувата) с одновременным синтезом небольшого количества АТФ. Эти процессы совершаются в отсутствие кислорода (анаэробное окисление, гликолиз). Все последующие этапы выработки энергии – аэробное окисление и синтез основной массы АТФ – осуществляются с потреблением кислорода и локализуются внутри митохондрий. При этом происходит дальнейшее окисление пирувата и других субстратов энергетического обмена с выделением СО2 и переносом протонов на их акцепторы. Эти реакции осуществляются с помощью ряда ферментов так называемого цикла трикарбоновых кислот, которые локализованы в матриксе митохондрии.

Цитология и гистология

В мембранах крист митохондрии располагаются системы дальнейшего переноса электронов и сопряженного с ним фосфорилирования АДФ (окислительное фосфорилирование). При этом происходит перенос электронов от

окислительного фосфорилирования с помощью расположенных здесь белков цепи окисления и фермента фосфорилирования АДФ, АТФ-синтетазы.

Окислительное фосфорилирование является процессом, при котором выделение энергии при окислении субстрата сопряжено с синтезом АТФ. Для объяснения сопряжения окисления с фосфорилированием Митчеллом была выдвинута гипотеза. Он предположил, что сопряжение переноса электронов и синтеза АТФ обеспечивается протонным градиентом. Согласно этой модели, перенос электронов по дыхательной цепи приводит к выбросу протонов из матрикса на цитоплазматическую сторону внутренней митохондриальной мембраны, где возрастает концентрация протонов Н+. Возникает электрохимический градиент протонов в мембране. Этот градиент состоит из двух составных частей – разницы в концентрации водородных ионов (рН) и разницы в электрических потенциалах. Энергия этого градиента является движущей силой процесса синтеза АТФ, в ходе которого происходит обратное перемещение протонов по направлению градиента (рисунок 5.3).

При переносе водорода на кислород каждая пара электронов, акцептируемых от субстрата, трижды пересекает мембрану туда и обратно и каждый раз выводит 2 протона. Первый переход осуществляется через восстановленный флавинмононуклеотид -QH2. Общее число протонов, переносимых при восстановлении КоQ, равно 4. Каждая молекула QH2 отдает электрон цитохрому С1. Далее электрон по компонентам дыхательной цепи – цитохромам с и а передается терминальному цитохрому – а3, который окисляется молекулой кислорода.

Цитология и гистология

Рисунок 5.3. – Окислительное фосфорилирование

При этом каждый атом кислорода принимает 2 электрона и присоединяет 2 протона, образуя молекулу воды.

Таким образом, каждая пара электронов, переносимая от НАДН к кислороду, приводит к перемещению шести протонов от внутренней к внешней поверхности мембраны. Этот процесс завершается на стадии АТФазы (комплекс F1–Fo), где каждые два перенесенных протона осуществляют синтез одной молекулы АТФ.

Есть несколько гипотез о механизме синтеза АТФ комплексом (F1–Fo). Согласно Митчеллу, фосфатная группа связывается ферментом, активный центр которого находится в F1 части комплекса вблизи конца канала, по которому переносится протон. 2 протона переносятся по этому каналу под действием градиента рН и мембранного потенциала. Эти протоны атакуют один из кислородов фосфата, который отщепляется в виде молекулы воды. При этом фосфатная группа превращается в реакционноспособную частицу, способную реагировать с АДФ с образованием АТФ.

Выявлено, что в матриксе митохондрии локализуется автономная система митохондриального белкового синтеза. Она представлена молекулами ДНК, свободными от гистонов, что сближает их с ДНК бактериальных клеток. На этих ДНК происходит синтез молекул РНК разных типов: информационных, трансферных (транспортных) и рибосомных. В матриксе митохондрий наблюдается образование рибосом, отличных от рибосом цитоплазмы. Эти рибосомы участвуют в синтезе ряда митохондриальных белков, не кодируемых ядром. Однако такая система белкового синтеза не обеспечивает

Цитология и гистология

всех функций митохондрии, поэтому автономию митохондрий можно считать ограниченной, относительной. Малые размеры молекул митохондриальных ДНК не могут определить синтез всех белков митохондрий.

Показано, что подавляющее большинство белков митохондрий находится под генетическим контролем клеточного ядра и синтезируется в цитоплазме. Митохондриальная ДНК кодирует лишь 13 митохондриальных белков, которые локализованы в мембранах и представляют собой структурные белки, ответственные за правильную интеграцию в митохондриальных мембранах отдельных функциональных белковых комплексов.

Митохондрии размножаются тремя способами: делением перетяжкой, почкованием наружу и почкованием внутрь. Делению митохондрии предшествует репликация митохондриальной ДНК. Она представляет собой двухцепочечную кольцевую молекулу массой от 10 до 40 мД. В одной митохондрии может быть до 10 молекул ДНК. Митохондриальная ДНК по химическому составу, плавучей плотности и другим характеристикам ближе к ДНК прокариот. В частности, она почти полностью лишена регуляторных и высокоповторяющихся последовательностей, кодируя главным образом структурные гены. Размеры митохондриального генома позволяют закодировать не более 100 белков. Это намного меньше, чем размер генома у бактерий (порядка 1000 мД), который обеспечивает кодирование до 3000 различных белков.

Митохондрии обладают также своей собственной белоксинтезирующей системой прокариотического типа, включая рибосомы, тРНК и аминоацил тРНК-синтетазы. Рибосомы митохондрий высших растений имеют константу седиментации 70S, рибосомы митохондрий грибов – 75S, рибосомы митохондрий млекопитающих – 55S. Это свидетельствует о значительной видовой специфичности митохондриальных рибосом по сравнению с цитоплазматическими рибосомами. Тем не менее, рибосомы митохондрий толерантны к матрице и могут транслировать иРНК любого происхождения.

Гены митохондриального генома кодируют ряд белков, входящих в состав внутренней мембраны митохондрии, в том числе 4 из 10 субъединиц грибовидного тельца, а также некоторые субъединицы ферментов и цитохромов дыхательной цепи. Однако подавляющее большинство белков в митохондриях кодируется генами клеточного ядра. Более того, ключевые ферменты транскрипции, рибосомальные и регуляторные белки также кодируются ядерной ДНК, что свидетельствует о высокой степени интеграции ядерного и митохондриального геномов.

Автономность митохондрий послужила основанием для симбиотической

Цитология и гистология

гипотезы их происхождения в филогенезе. Впервые она была выдвинута одним из первых исследователей этого органоида Р. Альтманном еще в 1890 г. Эта гипотеза постулирует, что эволюционная предшественница эукариотической клетки могла включить в себя эндосимбионт бактериальной природы, который обладал способностью к дыханию. В пользу этой гипотезы свидетельствует сходство геномов бактерий и митохондрий, сходный способ их размножения, сходство белоксинтезирующих систем, чувствительность рибосом бактерий и митохондрий к одним и тем же антибиотикам.

Однако целый ряд фактов противоречит симбиотической гипотезе. В частности, геном митохондрий намного меньше генома бактерий, рибосомы отличаются от рибосом эукариот и прокариот, иРНК ближе к эукариотическому типу, генетический код имеет уникальные особенности. Поэтому как альтернатива симбиотической гипотезе была выдвинута плазмидная гипотеза происхождения митохондрий.

Согласно плазмидной гипотезе предшественницы эукариотических клеток могли встраивать кодируемые геномом дыхательные ферменты в плазмолемму. В ходе дальнейшей эволюции имели место два противоположно направленных процесса: специализированные участки плазмолеммы с дыхательными ферментами инвагинировали в цитоплазму, и одновременно включали в себя с помощью плазмид те гены, продукты которых было выгодно синтезировать на месте. После образования наружной мембраны митохондрии окончательно приобрели нынешнюю автономность.

Вопросы для самоконтроля:

1. Какое строение имеют митохондрии? 2. Каково происходение митохондрий? 3. Что такое цикл Кребса? 4 Что такое окислительное фосфорилорование?

ЛЕКЦИЯ 6 ПЛАСТИДЫ РАСТИТЕЛЬНЫХ КЛЕТОК

1.Пластиды, строение, разновидности, функции. Проблемы происхождения пластид.

2.Онтогенез и структурно-функциональные перестройки пластид.

1.Пластиды, строение, разновидности, функции. Проблема происхождения пластид

Пластиды (от. греч. plastides – создающие, образующие) – это двухмембранные органоиды, характерные для фотосинтезирующих