различные клеточные реакции, например, сокращение мышц, активацию ряда ферментов и экзоцитоз. Особенно много кальция находится в мышечных клетках, имеющих два вида специфических переносчиков Са2+: пассивные (Са2+-каналы) и активные (Са2+-насосы, зависящие от концентрации ионов магния и требующие АТФ). Через каналы кальций выводится в гиалоплазму, а насос качает их в кальцийсому.
8. Комплекс Гольджи
Комплекс Гольджи (КГ), или сетчатый аппарат Гольджи, универсальный мембранный органоид эукариот, который функционально связан с ЭР. Состав: мембранные цистерны и пузырьки. От 4 до 10 уплощенных цистерн, соединенных фибриллами, образуют диктиocому, около ядра. Несколько диктиoсом, формируют сетчатый аппарат Гольджи. Вокруг диктиoсом – мембранные транспортные пузырьки с различным содержимым – вакуoлярную зону. Рядом с КГ находится большое количество рибосом, синтезирующих белки-ферменты.
В КГ три отдела:
-цис-отдел, или проксимальный полюс (расположен ближе к ядру),
-медиальный отдел (центральный отдел, расположен в середине диктиoсомы);
-транс-отдел, или дистальный полюс (наиболее удаленный от ядра).
Отшнуровывающиеся от промежуточной ЭПС транспортные пузырьки (ТП) с транзитными белками cливаются с первой из цистерн цис-отдела кг, называемой «цистерной спасения». В ней кислая среда, нужна для отделения транзитных белков от мембран ТП и их перенаправления в следующую цистерну КГ.
Поступающие белки подвергаются сегрегации на потоки с помощью их посттрансляционного преобразования путем химической модификации (фосфорилирование, гликозилирование).
В цис-отделе - фосфорилирование белков, гликозилированных в ЭПС, по маннозе с образованием группы маннозo-6-фосфата. Далее такие фосфорилированные белки следуют через медиальный и транс-отделы без изменений и становятся ферментами лизосом-гидролазами.
Heфосфорилированные в цис-отделе белки переносятся в медиальный отдел, где они еще раз гликозилируются путем присоединения N-aцетилглюкозамина с удалением концевых маннозых остатков.
Вцистернах транс-отдела – гликозилирование белков и липидов путем присоединения галактозы или сиаловой кислоты. Образуются гликоcoинголипиды –важнейшие структурные компоненты клеточных мембран, миелиновых оболочек нервных волокон.
Втранс-отделе КГ – синтез мукополисахаридов или гликозаминогликанов – природный смазочный материал, в соединительной ткани. Часть из них присоединяется к белкам с образованием протеогликанов, вход. в состав гликокаликса ПАК.
Втранс-отделе КГ происходит сульфатирование, протеолиз и процессинг нек. белков. Протеoлиз – отщепление N-концевого участка от полипептида, приводит к активации белка. Процессингу подвергаются гормоны белковой природы (неакт проинсулинтв акт инсулин).
Последовательные химические модификации белков в разных отделах к приводят к сегрегации или распределению веществ на три потока:
1.Первый поток – «мембранный поток» для конститутивной или постоянной секреции гликосфинголипидов и гликопротеинов в плазмолемму.
2.Второй поток – индуцируемым "секреторным". Идут секретируемые из клетки белки (гормоны, антитела), кот. упаковываются в мембранные секреторные пузырьки и путем
экзoцитоза выводятся за пределы клетки, где и функционируют. Секреторные пузырьки могут накапливаться в определенных районах периферической гиалоплазмы и будут сливаться с ПЛ только после внеклеточного сигнала.
3. Третий поток – «лизосомальным». Сформирован белками-гидролазами, фосфорилированные по маннозе и некоторые гликозаминoгликаны, которые направляются в лизосомы. Если нарушение формирования и перемещения лизосомального потока в КГ, гидролазы не попадают в лизосомы, обнаруживаясь в плазме крови, как например, при наследственной болезни муколипидозе II типа, или I -клеточной болезни (от англ. Inclusion включение). Отсутствие гидролаз в лизосомах фибробластов таких больных приводит к накоплению большого количество нерасщепленных веществ в клетках и к тяжелым последствиям для всего организма.
Таким образом, к основным важнейшим функциям КГ относятся:
1.Сегрегация белков на потоки.
2.Транспорт белков, липидов и углеводов.
3. Упаковка и выведение секретов из клетки.
4. Синтез углеводов.
5. Формирование лизосом.
9. Лизосомы
(ЛС)-это универсальный органоид эукариот, который представляет собой маленькие мембранные пузырьки диаметром 0,1-0,4 мкм.
ЛС формируются из прелизосом, отшнуровывающихся от КГ. Сливаясь, они образуют первичную ЛС, внутри которой находится лизосомальный матрикс. Белковые компоненты матрикса синтезируются в ЭР, а углеводные-в КГ.
В ЛС работают протонные насосы. 20% гидролаз локализуются в мембране ЛС и 80%-в матриксе.
Для подавления активности гидролаз в первичной ЛС задействовано несколько механизмов:
1)сохранение концевой маннозо-6фосфатной группировки подавляет действие гидролаз.
2)Недостаточно кислая среда в первичной ЛС подавляет активность гидролаз
3)Гликозаминогликаны лизосомального матрикса являются ингибиторами гидролаз
4)Активность некоторых гидролаз подавляется гликосфинголипидами внутреннего слоя мембраны ЛС
ЛС участвуют в клеточных фагических циклах, в ходе которых макромолекулы расщепляются до более простых соединений, и из них клетках в дальнейщем строит новые макромолекулы: белки, нуклеиновые кислоты, углеводы, липиды.
Функция лизосомы:
ЛС участвуют в фагических циклах и расщепляют сложное вещество до простых (Б до а/к)
Выделяют два вида фагических циклов.
•Аутофагический цикл (аутофагия)-процесс захватывания в ЛС внутриклеточных веществ
•Гетерофагический цикл (гетерофагия)-процесс захвата и переваривания в ЛС внеклеточных веществ
Функции ЛС в аутофагическом цикле:
•Участие во внутриклеточной регенерации (старые молекулы, структуры разрушаются до простых веществ, а из них строятся новые, необходимые клетке молекулы и надмолекулярные структуры).
•Регуляция количества веществ в клетке: избыток веществ, синтезированных в клетке, уничтожается в ЛС (кринофагия), част встречается в секреторных клетках.
•Эндогенное питание (в условиях голодания ЛС переваривают внутриклеточные вещества, это опасно, при длятельном голодании, когда клетка начинает переваривать собственные белки).
•Участие в ЛС а процессе исчезновения эмбриональных органов, которые больше не нужны развивающемуся организму.
Функции гетерофагического цикла:
•Трофическая или функция питания (типична для одноклточных организмов)
•Защитная функция (лизосомы расщепляют вредные вещества или даже чужеродные клетки)
•Сенсибилизация (усиление) иммунного ответа, в результате развивается сильная иммунная реакция
•Участие ферментов акросомы при оплодотворении, в результате растворяются оболочки яйцеклеток.
Болезни накопления:
1)Гликогеназы (нарушен гидролиз гликогена, который накапливается в печени и приводит к увеличению ее размера)
2)Мукополисахаридозы (нарушено расщепление мукополисахаридов и гликазаминогликанов)
3)Сфинголиподозы (нарушен гидролиз углеводной части гликосфинголипидов).
Пероксисомы (ПС)-это мембранный органоид, который имеет все клетки эукариот. Принимают участие в расщепление сложные органических соединений на более простые, т.е. участвуют в катаболическом обмене.
Главная функция ПС-расщепление жирных кислот.
ПС-пузырьки размером 0,15-0,25 мкм. Липиды мембран ПС синтезируются на гладкой ЭР, а белки на свободных рибосом гиалоплазмы. В клетке имеется большое количество ПС и при делении они распределяются между дочерними клетками.
ПС участвуют в расщеплении жирных кислот, используя молекулярный кислород. Оксидазы катализируют перенос водорода с субстрата на молекулу кислорода с образованием перекиси водорода. ПС содержат ферменты-каталазы, которые нейтрализуют перекись водорода и образования кислорода и воды.
Важная функция ПС-детоксикация вредных веществ: спиртов, альдегидов, кислот (муравьиная кислота). Окисленные в ПС молекулы становятся менее токсичными или вступают в метаболизм, выйдя из ПС, с образованием нетоксичных продуктов (выражена эта функция в печени и почках).
ПС осуществляют окислительное дезаминирование, превращение альфа-D-аминокислот в ктокислоты с образованием аммиака, который нейтрализуется в гепатоцитах.
Фермент уриказа является оксидазой уратов-солей мочевой кислоты. У приматов, у человека уриказная активность отсутствует, поэтому в норме в их организмоы циркулирует большое количество уратов. Ураты фильтруются в почечных клубочках и частично реабсорбируются в почечных канальцах. Аномалия в строении и функции ПС приводит к развити рецидивирующего стоматита.
10.Митохондрии и энергетический обмен в клетке.
Митохондрии (МХ) — это универсальный мембранный органоид, который содержат все эукариотические клетки, за исключением зрелых эритроцитов и некоторых паразитических анаэробных одноклеточных, например, дизентерийной амебы. Величина МХ разнится в зависимости от типа клеток и составляет 0,2–10 мк, а их форма может быть шаровидной, палочковидной, нитевидной, вплоть до причудливой с различными ответвлениями.
МХ необыкновенно пластичны и подвижны. Они извиваются, изгибаются, сливаются друг с другом и потом опять разделяются. Перемещение МХ в клетке связано с микротрубочками, поскольку МХ в основном располагаются вдоль них. МХ имеют универсальное строение и состоят из двух мембран — наружной и внутренней, межмембранного пространства и митохондриального матрикса.
Наружная мембрана МХ образована 20 % белков и 80 % липидов, включая фосфоглицеролипиды и холестерол, она имеет высокую двустороннюю проницаемость. Липидный состав определяет способность наружной мембраны к обратимому растяжению под действием физических нагрузок. Среди белков наружной мембраны большей частью обнаруживаются интегральные белки-порины, образующие поры для диффузии ионов и некрупных органических соединений массой не более 10000 дальтон. Благодаря поринам наружная мембрана напоминает легко проницаемое сито. Кроме того, в наружной мембране есть ряд ферментов, участвующих в метаболизме клетки, а также важный для апоптоза белок-ингибитор — Bcl.
Межмембранное пространство накапливает вещества, проходящие через наружную мембрану. В нем обнаруживается небольшое количество ферментов и белков, индуцирующих апоптоз, например цитохром-С. В отличие от наружной мембраны, внутренняя содержит гораздо большее количество белков (около 80 % от общей массы мембраны), поэтому в некоторых участках внутренней мембраны нарушается ее жидкостно-мозаичное строение, и молекулы белков и липидов переплетаются между собой, формируя «липопротеиновый коврик».
Во внутренней мембране встречается большое количество двойного фосфолипида — кардиолипина, но мало холестерола. Кардиолипин делает мембрану малопроницаемой, особенно для ионов. Важным компонентом внутренней мембраны является липоид убихинон, или кофермент Q, который принимает участие в работе ферментов дыхательной цепи.
К белкам внутренней мембраны МХ относятся АТФ-синтетаза и белки-переносчики протонов, фосфата, пирувата, малата, цитрата, жирных кислот, АДФ, АТФ и другие. Белки внутренней мембраны могут взаимодействовать друг с другом и образовывать мультифункциональные комплексы электрон-транспортной, или дыхательной цепи.
Внутренняя мембрана образует складки, или кристы, простирающиеся в матрикс, что увеличивает внутреннюю поверхность МХ. Количество крист в МХ может изменяться в зависимости от физической нагрузки на организм. При гиподинамии число крист уменьшается. На кристах находятся грибовидные тела диаметром около 100Å, которые являются молекулярными машинами для синтеза АТФ, называемые АТФ-синтетазы. В отдельных районах МХ наружная и внутренняя мембраны максимально сближаются и образуют контактные сайты, через которые в матрикс МХ транспортируются белки из гиалоплазмы.
Митохондриальный матрикс представляет собой водный раствор разнообразных ионов и органических молекул, аналогичный цитоплазме. В нем локализуются ферменты цикла Кребса, 70S рибосомы и кольцевая молекула ДНК (их может быть несколько). ДНК прикреплена к внутренней мембране и содержит митохондриальный геном (МГ).
Основными универсальными функциями МХ являются:
1.Клеточное дыхание, или использование молекулярного кислорода для окисления органических субстратов.
2.Участие в энергетическом обмене, или синтез АТФ.
Митохондрии могут выполнять и другие дополнительные функции, характерные для специализированных клеток и о которых будет написано далее.
Энергетическим обменом в клетке называют совокупность реакций расщепления органических веществ, сопровождающихся выделением энергии, которая преобразуется в химическую энергию макроэргических связей (как правило, молекул АТФ).
Энергетический обмен в клетке включает три этапа:
—подготовительный;
—анаэробный (бескислородный);
—аэробный (кислородный, или клеточное дыхание).
1. Подготовительный этап происходит у многоклеточных организмов в основном в желудочно-кишечном тракте. Сложные макромолекулы с помощью пищеварительных ферментов расщепляются до более
простых веществ-мономеров:
—крахмал и гликоген — до глюкозы;
—белки — до аминокислот;
—липиды (жиры) — до трехатомного спирта глицерина и жирных кислот;
—нуклеиновые кислоты — до нуклеотидов.
Эти процессы происходят как в полости кишечника, так и в гликокаликсе его эпителиальных клеток (пристеночное пищеварение), а также
в лизосомах любых клеток. При этом выделяется недостаточное для синтеза АТФ количество энергии, которая обычно рассеивается в виде тепла.
Продукты расщепления — мономеры всасываются клетками кишечника и
поступают в кровь. Далее они транспортируются в цитоплазму всех клеток организма, где вступают в следующий этап энергетического обмена.
2. Анаэробный (бескислородный) путь проходит в гиалоплазме клетки. Совокупность реакций расщепления 6-углеродного сахара глюкозы (С6) до двух молекул трёхуглеродных соединений (С3) называют гликолизом. Он включает около 10 последовательных ферментативных реакций, в которых происходит фосфорилирование, дегидрогенирование и дефосфорилирование субстратов (глюкозы и ее производных). В результате гликолиза из одной молекулы глюкозы (С6-соединение) образуется две молекулы пирувата, или пировиноградной кислоты (ПВК, С3-соединение). При недостатке кислорода в клетке гликолиз завершается образованием из ПВК молочной кислоты, или лактата. Эта реакция является легко обратимой и при восстановлении необходимого клетке уровня кислорода лактат вновь превращается в ПВК.
Суммарно реакции гликолиза можно представить следующим уравнением:
Глюкоза (С6) + 2НАД+ + 2АДФ + 2Фн → 2ПВК (С3) + 2НАДН• Н+ + 2АТФ.
3. Аэробный этап, или клеточное дыхание, представляет собой продолжение расщепления глюкозы до конечных продуктов СО2 и Н2О, сопровождающееся дегидрогени рованием (отщеплением атомов водорода) и декарбоксилированием (отсоединением СО2) от промежуточных субстратов. При дегидрогенировании происходит разделение атомов водорода на два потока — протонов и электронов, которые способствуют возникновению разности электропотенциалов (электрохимической энергии) на внутренней мембране МХ. Далее электрохимическая энергия переводится в энергию макроэргических связей АТФ.
Аэробный этап подразделяют на три стадии:
—промежуточную;
—цикл Кребса;
—окислительное фосфорилирование.
В промежуточной стадии образовавшаяся на бескислородном этапе ПВК транспортируется в матрикс МХ, где она подвергается окислительному декарбоксилированию с отщеплением углерода в виде СО2. Затем оставшаяся ацетильная группа ПВК взаимодействует с коферментом А (КоА), который превращается в ацетил Ко-А (ац-КоА) с одновременным восстановлением НАДН• Н+.
Таким образом, значение реакций цикла Кребса состоит в дегидрогенировании и декарбоксилировании ацильного радикала с образованием одной молекулы св ободного СО2 и восьми атомов водорода.
Окислительное фосфорилирование происходит в процессе функционирования электронно-транспортной цепи (ЭТЦ) и грибовидных тел внутренней мембраны митохондрий. Ферменты дыхательной цепи формируют электронно-транспортную, или дыхательную цепь, включающую около 40 различных белков, которые расположены в определенном порядке по степени изменения их окислительно-восстановительного потенциала (рис. 27). Под этим потенциалом подразумевают способность ферментов присоединять (восстанавливаться) или отдавать (окисляться) электроны. К ферментам дыхательной цепи относятся НАД- и ФАД-зависимые дегидрогеназы, кофермент Q, цитохромы, железо-серные белки и медьсодержащие белки, формирующие три больших ферментных комплекса.
11. Немембранные органоиды и включения
Немембранные органоиды – рибосомы и клеточные центр, построены из белка.
Микротрубочки-полые белковые структуры диаметром 20-24 нм. Состоят из трех видов белковтубулинов: α, β, Y.
Сборка МТ начинается в цитоплазме в ЦОМТ, в которых фиксированы «минус концы» МТ.
Универсальный ЦОМТ-центросома, содержащая Y-тубулин.
Вприсутствии ионов Mg, АТФ и Y-тубулина в качестве затравки, α и β, тубулины образуют стабильные гетеродимеры, которые способны к гетерофильным взаимодействиям.
Врезультате α-тубулин одного димера взаимодействует с β-тубулином другого димера и наоборот.
Последующая полимеризация тубулиновых димеров приводит к образованию 13 тубулинов протофиламентов, которые формируют ОДНУ МИКРОТРУБОЧКУ. Она может
удлиняться путем присоединения новых гетеродимеров к двум ее противоположным концам.
Удлинение МТ осуществляется на двух концах с разной скоростью, поэтому быстро растущий конец МТ обозначают как «+ конец», а медленно растущий «- конец». Если тубулиновых димеров в клетке не хватает, то на «- конце» будет
ДЕПОЛИМЕРИЗАЦИЯ МТ, которая может усиливаться при повышении К ионов Ca в гиалоплазме.
На процессы полимеризации и деполимеризации влияют физ. и хим. факторы:
•Повышение давления и понижение температуры вызывают разрушение МТ
•Растительный алкалоид КОЛХИЦИН блокирует полимеризацию МТэто приведет к нерасхождению хромосом при делении клеток
•Другие алкалоиды ВИНБЛАСТИН и ВИНКРИСТИН связываются с тубулинами и блокируют деление клетов, их используют в качестве цитостатиков.
МТ содержат белки-транслокаторы: КИНЕЗИН и ДИНЕИН. Они образуют тубулин-кинезиновую систему и тубулин-динеиновую систему.
Кинезины перемещаются по тубулиновой МТ в направлении от «- конца» к «+» и переносят мембранные пузырьки от центра клетки к ПАК.
Динеины транспортируют мембранные пузырьки вдоль МТ от «+» к «-», перенося от ПАК к центру клетки.
Функции:
•Транспорт мембранных пузырьков внутри клетки
•Участие в цитозе
•Образование цитоскелета
•Строят нити веретена деления
Рибосомы (РС)- немембранный универсальный органоид, присущий про- и эукариотическим клеткам, простроенный из р РНК и рибосомальных белков. Размер 20 нм, в клетке десятки тысяч.
Функция: синтез белка Местоположение: у эукариот свободно в гиалоплазме на шероховатой ЭПС и на ядерной
оболочке. Они называются эукариотическими рибосомами 80S.
У прокариот располагаются в МХ, в пластидах растительных, в клетках бактерий. Они называются прокариотическими рибосомами 70S.
S- константа седиментации, по ней оценивают размер частиц. РС состоят и большой и малой субъединиц.
Прокариоты50S/30S Эукариоты - 60S/40S
БСР состоит из тела, ребра, головки и стержня. МСР состоит из тела, платформы, головки и клюва.
ВРС есть 4 активных центра:
•АЦ-амилоацильный
•ПЦ-пептидильный
•ТЦ-трансферазный
•ЭЦ-эжекторный
•АЦ нах-ся на внутренней пов-ти МСР. Нужен для связывания и узнавания аминоацил т-РНК, за искл.стартовой, которая способна соединяться с ПЦ.
•ПЦ нах-ся рядом с АЦ. Нужен для связывания и удерживания пептидил тРНК.