Андреев в.П. Принципы структурно-функциональной организации и биология эукариотической клетки
Для всякого живого существа
клетка является последним
морфологическим элементом,
из которого исходит всякая
жизнедеятельность – нормальная,
и патологическая»
Рудольф Вирхов
Содержание лекции
Введение
Организация плазматической мембраны
Функции плазматической мембраны
Управление ионными каналами
Цитозоль
Ядро
Эндоплазматический ретикулум
Цитоскелет
Аппарат Гольджи
Везикулы транспортные
Лизосомы
Пероксисомы
Митохондрии
Протеасомы
Межклеточные взаимодействия
Межклеточные сигнальные вещества
Органоиды клетки
Цитоскелет
Передача сигналов внутри клетки
Передача внешнего сигнала в клетку
Концепции современной цитологии
Основные хронологические вехи в изучении клетки
Введение
Эукариотическая клетка – это элементарная самовоспроизводящая живая система, обладающая способностью к обмену веществом, энергией и информацией с окружающей средой. Клетки существуют в форме самостоятельных одноклеточных организмов (амеба, малярийный плазмодий и др.) или входят в состав тканей многоклеточных организмов. В многоклеточных организмах клетки представляют собой элементы, подчиненные целостному организму. Интеграцию клеток осуществляют гуморальная, нервная и иммунная система. Для адекватной реакции на регуляторные сигналы «центра» каждая клетка обладает системой управления. Согласно взглядам В.Я. Александрова и М.Д. Голубовского клетка владеет разными видами целесообразного поведения, что у человека называется эрудиция и ум. Клеточная «эрудиция» – хранение большого набора генетических программ; клеточный «ум» – способность включать в определенных условиях соответствующую программу поведения. Например, в ответ на стресс клетки генерируют изменение своих компонентов и приступают к поиску адаптивных генетических программ поведения.
Организм человека построен приблизительно из десяти триллионов клеток, которые формируют четыре основных типа тканей: эпителиальную, соединительную, мышечную и нервную. Каждая ткань представлена многочисленными клеточными типами. К настоящему времени изучена структура и функция более 200 фенотипов клеток, приспособленных для выполнения многочисленных функций. (Открытие клеточных типов продолжается; так несколько лет назад в сетчатке глаза ученые обнаружили третий тип клеток, участвующих в формировании ритма сон-бодрствование).
В эукариотической клетке, как элементарной целостной живой системе, можно выделить четыре общебиологические эволюционно обусловленные подсистемы. К ним относятся: пограничная, представленная внешней клеточной мембраной-плазмалеммой, скелетно-двигательная (цитоскелет и сократительный аппарат), гомеостатическая (ядро и комплекс органелл) и подсистема, обеспечивающая реактивные свойства за счет рецепторно-транспортных механизмов.
Организация эукариотической клетки
Эукариотическая клетка организована системой мембран. Снаружи она ограничена плазматической мембраной. Внутренний объем клетки заполнен цитоплазмой, которая разделена на хорошо различимые, окруженные внутриклеточными мембранами отделы, называемыми мембранными органеллами. В них сосредоточено около 50% объема клетки. Остальное внутриклеточное пространство занимает компартмент, называемый цитозолем ( син. матрикс цитоплазмы, гиалоплазма).
Самой крупной органеллой является ядро клетки, его можно легко видеть в световой микроскоп. В нем находятся хромосомы, и осуществляется ДНК-направляемый синтез РНК (транскрипция). Перинуклеарное пространство (лат. nucleus – ядро), ограниченное наружной и внутренней мембранами, связано с эндоплазматической сетью, представляющей собой ограниченную мембранами систему связанных друг с другом канальцами полостей в виде уплощенных мешочков и цистерн. Другая, ограниченная мембранами органелла, также представляющая собой систему мембран, – комплекс Гольджи напоминает сложенные в стопку расширенные по краям уплощенные цистерны, в которых происходит модификация и сортировка белков и липидов. Митохондрии отвечают за производство энергии в виде аденозинтрифосфата (АТФ). Лизосомы и пероксисомы – маленькие глобулярные органеллы, предназначенные для выполнения специфических функций. Экзосомы и эндосомы – пузыреобразные органеллы (везикулы), участвующие в процессе обмена веществ между клеткой и ее окружением. Кроме «мембранных», в клетке находятся и немембранные органоиды – рибосомы, клеточный центр, реснички, жгутики и др. Регуляторные, а также состарившиеся, содержащие ошибки транскрипции белки разрушаются в протеасомах. Способность клетки изменять свою форму, перемещаться, передвигать органеллы в цитоплазме и разделять хромосомы во время митоза обеспечивает система белковых нитевидных структур – микрофиламентов, актиновых филаментов, микротрубочек, – напоминающая строительные леса (так называемый цитоскелет).
Состав биомембран
Все биомембраны, несмотря на огромное разнообразие, построены однотипно; они состоят из двух слоев полярных липидных молекул, в которые встроены белки. В клеточной мембране присутствуют липиды трех главных типов – фосфолипиды, холестерол и гликолипиды. Все они являются амфипатическими, то есть обладающими двумя противоположными свойствами. Каждая молекула мембранного липида имеет заряженную гидрофильную «головку» и два незаряженных гидрофобных «хвоста». Каждый «хвост» представляет собой длинную углеводородную цепь жирной кислоты, причем у фосфолипидов одна из этих цепей – предельная, т.е. не содержит двойных связей, а вторая – непредельная имеет одну или более двойных связей. Неполярные, гидрофобные участки фосфолипидных молекул, образуемые цепями жирных кислот, обращены внутрь липидного бислоя, формируя сплошную пленку – своеобразный барьер для растворенных в воде ионов и полярных молекул. Полярные гидрофильные группы фосфолипидных молекул обращены наружу и как бы смачиваются окружающим водным раствором. Структуру такого типа называют жидкокристаллической (рис. 1).
У разных клеток состав мембранных липидов может существенно различаться. Различный липидный состав характерен и для разных мембран одной и той же клетки. Они могут включать такие липиды как фосфатидилхолин, фосфатидилэтаноламин, фосфатидилсерин, кардиолипин, триглицериды, холестерол и др., от которых в основном зависят физико-химические свойства мембран. Наиболее распространенными мембранными липидами являются производные глицерин-3-фосфата, называемые глицерофосфолипидами, в которых две гидроксильные группы глицерола замещены остатками различных или одинаковых жирных кислот. Некоторые мембраны содержат, кроме того, сахарные остатки, связанные с липидами и белками ковалентными связями. Такими углеводными остатками могут быть глюкоза, галактоза, N-ацетилгалактозамин и др.
Рис.1. Мембранные липиды. (Из кн. Кольман Я., Рём К, – Г. «Наглядная биохимия»)
Жидкий кристалл – это как бы промежуточное состояние вещества между твердым кристаллом и аморфной жидкостью: в расположении образующих его молекул есть порядок, обусловленный правильной ориентацией молекул друг относительно друга. Для образования жидких кристаллов необходимо, чтобы молекулы были длинными и узкими. Такими молекулами в плазматической мембране являются жирные кислоты.
Соотношение этих компонентов является характерным для клетки или мембраны и существенно варьирует в зависимости от типа клеток или мембран. В мембранах эритроцитов имеется производное от многоатомного аминоспирта сфингозина – церамид (рис.2). К этому липиду ферменты присоединяют разветвленные цепочки различных сахаров. Такие гликолипиды называют ганглиозидами. В настоящее время идентифицирована структура более 60-ти молекул ганглиозидов. В нервных клетках ганглиев они составляют около 6 % общей массы липидов; в других типах клеток они встречаются в меньших количествах.
Все ганглиозиды выполняют важные функции в тех или иных клетках, являясь рецепторами для медиаторов, осуществляющих связь между клетками. Ганглиозиды в эритроцитах обладают антигенными свойствами и определяют группы крови людей 0, А, В-системы. Следует отметить, что молекулы ганглиозидов нередко являются «посадочными площадками» для вирусов или бактериальных токсинов, то есть выполняют несвойственные им в норме рецепторные функции. Так, холерный токсин проникает внутрь эпителиальных клеток кишечника, присоединяясь к ганглиозиду Gм1.
Плазматическая мембрана постоянно обновляется. Это происходит за счет процессов синтеза и разрушения отслуживших окисленных гликолипидов.
Рис. 2. Структура некоторых компонентов плазматической мембраны (из кн. В. Элиот, Д. Элиот «Биохимия и молекулярная биология».
Липиды мембран синтезируются на эндоплазматической сети и переносятся в плазматическую мембрану. Процесс переноса осуществляется транспортными пузырьками. При некоторых наследственных заболевания человека ферменты, необходимые для разрушения этих гликолипидов, оказываются дефектными, и клетка не может расщеплять гликолипиды. Это приводит к их накоплению в клетке, и, в конце концов, к гибели клетки. Заболевания, вызванные неспособностью клетки к расщеплению сложных гликолипидов, называются мукополисахаридозами.
Текучесть мембран зависит от липидного состава и температуры окружающей среды. Существенное значение для структуры клеточных мембран имеют полиненасыщенные (с двойными связями между углеродными атомами) жирные кислоты (ПНЖК). В промежутках между изгибами ПНЖК располагается спирт холестерол (холестерин). Он предотвращает кристаллизацию мембраны или переход в гель, придавая им текучесть. Однако полиненасыщенные жирные кислоты не синтезируются в организме человека и высших животных, поэтому их поступление с пищей необходимо для правильной деятельности клеточных мембран. Отсутствие ПНЖК приводит к тяжелым общим расстройствам, провалам памяти, выпадению волос, шелушению кожи. (Источниками ПНЖК являются растительные масла, не подвегнувшиеся термической обработке и рыба холодных морей).
Специфические функции биологических мембран осуществляются главным образом белками. Типы белков и их количества в мембране отражают ее функцию. Так в плазматической мембране белки составляют приблизительно 50% от ее массы, а в мембране митохондрии – 75%. По своей функциональной роли мембранные белки разделяются на ферментативные, транспортные и регуляторные. Но такое разделение носит только условный характер, поскольку, например, ионный канал может одновременно участвовать во всех этих функциях.
Большинство мембранных белков являются интегральными. Эти протеины или погружены в толщу липидного слоя, или пронизывают мембрану насквозь (трансмембранные белки). Они удерживаются в билипидном слое за счет нековалентных связей. Их гидрофильные аминокислоты взаимодействуют с фосфатными группами фосфолипидов, а гидрофобные – с цепями жирных кислот. Между белками и жирными кислотами могут возникать ковалентные связи. Для интегральных белков некоторых клеток характерна латеральная подвижность; они могут перераспределяться в мембранах в результате взаимодействия с периферическими белками, элементами цитоскелета, молекулами в мембране соседней клетки и компонентами внеклеточного матрикса. Кроме того, выделяют так называемые периферические белки, молекулы которых не встроены в мембрану, а за счет слабых взаимодействий удерживаются на ее поверхности. Периферические мембранные белки (фибриллярные, глобулярные) находятся как на наружной, так и внутренней поверхности мембраны и нековалентно – за счет водородных, гидрофобных, электростатических взаимодействий – связаны с интегральными мембранными белками. К периферическим белкам внутренней поверхности мембраны относятся белки цитоскелета (например, анкирин от лат. аnkir – якорь), которые обеспечивают механическую связь мембран с цитоскелетом (микрофиламентами и микротрубочками), семейство G-белков (гуанозинтрифосфатаз), посредством которых активируется фермент аденилатциклаза и мн. др.
Примером периферического белка наружной поверхности мембраны является фибронектин. Этот гликопротеин локализован на наружной поверхности мембраны почти всех клеток. Фибронектин обеспечивает прикрепление клеток к другим клеткам, а также способствует соединению клетки с внеклеточным матриксом. Отмечено резкое снижение содержания фибронектина в мембранах опухолевых клеток; это придает им большую подвижность и способствует метастазированию. Белки и некоторые липидные молекулы, расположенные на наружной стороне плазматической мембраны, несут ковалентно связанные углеводные компоненты – олигосахариды (рис3).
Эти гликопротеины и гликолипиды вместе с дополнительными несвязанными с мембраной гликопротеинами и полисахаридами образуют клеточную оболочку – гликокаликс. Гликокаликс, покрывающий микроворсинки каемчатых клеток эпителия кишечника, содержит ферменты, завершающие расщепление белков, углеводов (пристеночное пищеварение). Однако основные функции гликокаликса – межклеточное узнавание и межклеточные взаимодействия.
Рис.3. Структура плазматической мемраны. (Из кн. Кольман Я., Рём К, – Г. «Наглядная биохимия»)
Углеводные остатки гликопротеинов и гликолипидов наружной мембраны клетки обладают специфическими антигенными свойствами. Все клетки одного организма несут сходные поверхностные антигены, которые отличаются от поверхностных антигенов клеток любого другого организма. Это свойство используется иммунной системой для разделения всех клеток «на свои» и «чужие». Успех переливания крови или трансплантации другой ткани во многом определяют антигены групп крови 0, А, В-системы. Их антигенные свойства обусловлены структурой углеводных остатков гликолипидов на поверхности эритроцитов. (Схема строения ганглиозидов, определяющих IV, III, II и I-ю группы крови 0, А, В-системы представлена на рис. 4-7.)
Кроме этих антигенов индивидуальную поверхность клеток определяют так называемые трансплантационные антигены или антигены гистосовместимости. В этом случае антигенами служат полипептидные цепи группы трансмембранных белков. Эти белки-антигены кодируются в геноме млекопитающих многими генами, так называемого главного комплекса гистосовместимости. Бóльшая часть Т-лимфоцитов узнает чужеродные антигены только в том случае, если эти антигены ассоциированы на клеточных поверхностях с антигенами главного комплекса гистосовместимости.
Антигéны главного комплекса гистосовместимости (ГКГ) или антигены МНС (англ.majorhistocompatibilitycomplex, произносят как эм, эйч, си) – семейство антигенов, определяющих отторжение чужеродного трансплантата, т.е. тканевую несовместимость. У человека они впервые были выявлены в лейкоцитах и поэтому получили названиеHLA(англ.humanleucocyteantigen, произносят как эйч, эль, эй). Существует два основных класса антигенов (молекул) ГКГ: антигены ГКГ классаIи антигены ГКГ классаII. Все они являются мембранными гликопротеинами (рис. 8).
Рис. 4. Схема связи остатков сахаров с наружной мембраной эритроцита у людей с IV (АВ) группой крови 0, А, В-системы.
Глк – D-глюкоза, Гал – D-галактоза, Фук – L-фукоза, Глк NАц – N-ацетил- D-глюкозамин, Гал NАц – N-aцетил- D-галактозамин.
Прерывистые связи между остатками сахаров означают, что существует много типов соединений.
Ген Lewis, доминантный ген-секретор, ген-А, ген-В кодируют ферменты-трансферазы, переносящие и присоединяющие остатки сахаров. При наличии гена А или В, и рецессивного гена-секретора в гомозиготном состоянии антигены А и В не образуются (бомбейский феномен).
Примечание: Отличительной особенностью антигена Н является наличие его в биологических жидкостях секреторов групповых веществ и отсутствие – у несекреторов. Антиген 0, в отличие от антигена Н, А и В, с секретами (слюна, сперма) не выделяется.
Рис. 5. Схема связи остатков сахаров с наружной мембраной эритроцита у людей с III (В) группой крови 0, А, В-системы.
Глк – D-глюкоза, Гал – D-галактоза, Фук – L-фукоза, Глк NАц – N-ацетил- D-глюкозамин, Гал NАц – N-aцетил- D-галактозамин.
Прерывистые связи между остатками сахаров означают, что существует много типов соединений.
Рис. 6. Схема связи остатков сахаров с наружной мембраной эритроцита у людей с II (А) группой крови 0, А, В-системы.
Глк – D-глюкоза, Гал – D-галактоза, Фук – L-фукоза, Глк NАц – N-ацетил- D-глюкозамин, Гал NАц – N-aцетил- D-галактозамин.
Прерывистые связи между остатками сахаров означают, что существует много типов соединений.
Рис. 7. Схема связи остатков сахаров с наружной мембраной эритроцита у людей с I (0) группой крови 0, А, В-системы.
Глк – D-глюкоза, Гал – D-галактоза, Фук – L-фукоза, Глк NАц – N-ацетил- D-глюкозамин, Гал NАц – N-aцетил- D-галактозамин.
Прерывистые связи между остатками сахаров означают, что существует много типов соединений.
Рис. 8. Схема структуры трансмембранных гликопротеинов МНС класс 1 (слева) и МНС класса 2 (справа). (Из кн. Б. Албертс и др. «Молекулярная биология клетки», том 5.)
Класс IГКГ содержится на оболочках всех соматических клеток, обладающих ядром. Они презентируют вирусные антигены цитотоксическим Т-лимфоцитам. ГКГ классаIIсвязаны с плазматической мембраной В-лимфоцитов, макрофагов, дендритных и некоторых других антигенпредставляющих (презентирующих) клеток, которые представляют в иммунных ответах для распознавания Т-лимфоцитам переработанные ими до пептидов чужеродные антигены, вслед, за чем запускается развитие иммунных защитных реакций.
Функции мембран
Ограничение и обособление клеток и органелл. Обособление клеток от межклеточной среды обеспечивается плазматической мембраной, защищающей клетки от механического и химического воздействий.
Контролируемый транспорт метаболитов и ионов через поры и посредством переносчиков определяет внутреннюю среду, что существенно для гомеостаза, т.е. поддержания постоянной концентрации метаболитов и неорганических ионов, и других физиологических параметров.
Восприятие внеклеточных сигналов и их передача внутрь клетки, а также инициация сигналов.
Ферментативный катализ. В мембранах локализованы наиболее важные реакции энергетического обмена, такие, как окислительное фосфорилирование.
Контактное взаимодействие с межклеточным матриксом и взаимодействие с другими клетками при образовании тканей.
Заякоривание цитоскелета, обеспечивающее поддержание формы клеток и органелл и клеточной подвижности.
Основная функция наружной клеточной мембраны – сохранение внутренней среды клетки. При участии плазматической мембраны происходит узнавание и агрегация, как соседних клеток, так и клеток с компонентами внеклеточного матрикса. Формирование клеточной поверхности, которая способна к узнаванию других клеток, контакту с ними и восприятию разнообразных раздражителей, воздействующих на клетку, обеспечивается, прежде всего, углеводными группами, входящими в состав гликопротеидов клеточной мембраны.