ЦИТОЛОГИЯ
Цитология – наука о клетке (от греч. сytos – клетка), которая изучает индивидуальное
(онтогенез) и историческое развитие (филогенез, эволюция) клетки, строение,
функционирование, функции отдельных структурных ее компонентов, воспроизведение,
репарацию и адаптацию клеток. Т.е. клетка - структурно-функциональная единица живой
материи, способная к воспроизведению и является открытой системой, состоящая из
биополимеров.
Положения клеточной теории:
1 Клетка – единая система сопряженных функциональных единиц
2 Положение Гомологичность клеток
4 положение Клетки в многоклеточном организме образуют ансамбль с нейро-иммунногуморальной регуляцией.
I. Клеточная оболочка (плазматическая мембрана, гликокаликс, кортекс)
История изучения свойств и строения мембран
Термин "мембраны" как окружающей клетку невидимой плёнки, служащей барьером
между содержимым клетки и внешней средой и одновременно - полупроницаемой
перегородкой, через которую могут проходить вода и некоторые растворенные в ней
вещества, был впервые использован, по-видимому, ботаниками фон Молем и независимо
К. фон Негели (1817-1891) в 1855 г для объясненеия явлений плазмолиза.
В 1877 г. ботаник В. Пфеффер (1845-1920) опубликовал свой труд “Исследования осмоса”
(Leipzig). Дальнейшее изучение осмотических явлений в растительных клетках датским
ботаником Х. де Фризом (1848-1935) послужило фундаментом при создании физикохимических теорий осмотического давления и электролитической диссоциации
датчанином Я. Вант-Гоффом (1852-1911) и шедским ученым С. Аррениусом (1859-1922 ).
В 1888 году немецкий физико-химик В. Нернст (1864-1941) вывел уравнение
диффузионного потенциала. В 1890 году немецкий физико-химик и философ В. Оствальд
(1853-1932) обратил внимание на возможную роль мембран в биоэлектрических процессах.
1895 и 1902 г Э. Овертон (1865-1933) измерил проницаемость клеточной мембраны.
Именно липиды формируют мембрану.
В 1902 году Ю. Бернштейн (1839-1917) привлек для объяснения электрических свойств
живых клеток мембранную гипотезу.
В 1925 году Гортер и Грендел показали, что липиды в мембране лежат в два слоя
(билипидный слой).
Коул и Кёртис, 1935 год: высокое электрическое сопротивление мембраны, порядка 107
Омм2 и большая электроемкость 0,51/м2.
Даниелли и Давсон, предложившими в 1935 году так сказать «бутербродную» модель
строения биологических мембран, которая с некоторыми несущественными изменениями
продержалась в мембранологии в течении почти 40 лет. Согласно этой модели, на
поверхности фосфолипидного бислоя в мембранах располагаются белки.
В 1935 году Даниели и Давсон предложили «бутербродную» модель строения
биологических мембран: белковые молекулы расположены по поверхности бислоя
липидов. Эта модель существовала в течение более 40 лет.
В 1950-ых Robertson описал структуру мембран, с помощью электронного микроскопа.
Контрастируя белки и полярные группы липидов осмием.
Жидкостно-мозаичная модель строения плазматической мембраны. В 1972 году возникло
представление о жидкостно-мозаичной структуре мембран, оформленное Singer и Nikolson
в модель «плавающей мембраны». На сегодняшний день – общепринятая модель.
Трансмембранный перенос малых и макромолекул.
1. Транспорт малых молекул
Проницаемость и коэффициент проницаемости (см\с) бислоя для различных молекул
-
Мембранный потенциал поддерживается натрий - калиевым (Nа+ - К+) насосом за счет
деятельности Nа – К- АТР-азы.
"Nа+ - К+ насос" - активно качающий Nа+ из клеток, а К+ в клетку, поэтому концентрация
К+ внутри становится выше, чем снаружи, а концентрация Nа+ наоборот.
Функции Nа – К- АТРаза: регулирует объем клетки, а значит и осмотическую силу.
В результате работы "Nа+ - К+ насоса" наблюдается деполяризация мембраны.
Соответственно полярность устанавливается работой других белков с воротами:
"канальный белок" утечки К+, который облегчает выход К+ за пределы клетки ослабляя –
«отрицательный заряд» мембраны.
- второй канальный белок обеспечивает поступление натрия в цитоплазму. Nа-канала.
Работа Са-АТР-азы
1.
2.
Транспорт макромолекул
Транспорт микромолекул, их комплексов, внутрь клетки и из нее происходит совершенно
иным путем - посредством везикулярного переноса.
Такой везикулярный перенос можно разделить на два вида:
экзоцитоз – транспорт из клетки макромолекулярных продуктов,
эндоцитоз - поглощение клеткой макромолекул.
Различают три разновидности эндоцитоза:
- фагоцитоз (поглощение частиц d ≥ 1 мм),
- макропиноцитоз (d ≈ 0,2 – 0,3 мм),
- микропиноцитоз (d ≈ 70 нм).
Фагоцитоз - захват и поглощение клеткой крупных частиц (иногда даже клеток или их
частей) - был впервые описан И.И. Мечниковым (например, амебы, некоторые хищные
инфузории), так и для специализированных клеток многоклеточных животных
(нейтрофилы и макрофаги).
Пиноцитоз - поглощение клеткой воды или водных растворов разных веществ.
Эндоцитоз делится на 2 группы:
1. Неспецифический
2. Специфический (рецептор опосредованный)
Неспецифический эндоцитоз без участия рецептора (пиноцитоз и фагоцитоз), так
называется потому, что он протекает как бы автоматически. Интенсивность жидкофазного
неспецифического пиноцитоза может быть очень высокой. Так клетка эпителия тонкого
кишечника образует до 1000 пиносом в секунду, а макрофаги образуют около 125 пиносом
в минуту.
Специфический или опосредуемый рецепторами
Молекулы (лиганды), связывающиеся с белками-рецепторами к этим молекулам на
плазматической мембране.
Такие рецепторы входят в состав окаймленных участков плазматической мембраны окаймленные ямки (2% плазматической мембраны). Белок клатрин соединяется с
рецептором.
ЭКЗОЦИТОЗ
процесс обратный эндоцитозу. Этим путем транспортируются во внешнюю среду
секреторные гранулы и продукты экскреции. Экзоцитоз осуществляется с участием
деполимеризации опорно–сократимых структур, встраивание везикулы в мембрану требует
увеличения концентрации кальция в клетке.
Экзоцитоз подразделяется на:
индуктивный (с помощью окаймленных пузырьков),
конститутивный,
жидкофазный.
С экзоцитозом связано выделение синтезированных в клетке веществ (ацетилхолин,
биогенные амины и др.), а также в большинстве случаев макромолекулы (пептиды, белки,
липопротеиды, пептидогликаны и др.). Экзоцитоз или секреция в большинстве случаев
происходит в ответ на внешний сигнал (нервный импульс, гормоны, медиаторы и др.). Хотя
в ряде случаев экзоцитоз происходит постоянно (секреция фибронектина и коллагена
фибробластами).
II. ЯДРО
1. Наружная мембрана
Продолжение грЭР следовательно, на мембране несет рибосомы на которых происходит
синтез белка как на экспорт так и для «нужд» клетки.
2. Межмембранное пространство – люмен (перинуклеарное пространство). Транспорт
синтезированных на рибосомах наружной мембраны белков к ER далее к АГ.
3. Внутренняя мембрана – в ее состав входит набор уникальных интегральных мембранных
белков, многие из которых связаны с lamins и/или с хроматином.
4. Ядерный белковый матрикс (скелет или sceffold). Состоит из:
периферический белковый или сетчатый (фиброзный) слой – ламины
РНП-гранулы
ДНП-комплексы
5. Строение ЯПК nuclear pore complexes (NPCs) – ядерный поровый комплекс
состоит из более 1000 белков- нуклеопоринов (50-100 видов). Внешний диаметр порового
комплекса составляет около 100 нм, а высота - 75 нм. Представляет собой цилиндрическую
фигуру с признаками октогональной симметрии. ЯПК по периферии представлен восьмью
глобулами которые образуют: два периферических кольца диаметром около 120 нм цитоплазматическое и внутриядерное. От 8 белков отходят 8 вертикальные спиц, которыми
соединяются кольца. От 8 белков отходят 8 филаментов: от цитоплазматического
филаменты 2-3 nm в диаметре и примерно 50 nm в длину; от ядерного кольца отходят
восемь в 100 nm филаменты, которые соединены терминальным кольцом в basket.
Центральную часть ядерной поры, состоящую из двух зеркально симметричных отделов.
Каждый включает 3 связанных кольца: внутреннее, среднее, радиальное.
Нуклеоплазматический транспорт через ЯПК
Белки, транспортируемые в ядро, имеют определенные последовательности аминокислот последовательности ядерной локализации (NLS), которые узнаются рецепторами ядерных
пор. Такие NLS характерны для кариофильных белков
6. Впервые ядрышки были описаны Фонтана в 1774 г.
- ядрышко не имеет мембраны,
- размер ядрышка отражает степень его функциональной активности, которая варьирует в
различных клетках и может изменяться.
- в ядрышке происходят транскрипция рибосомных генов, процессинг пре-рРНК и сборка
рибосом.
Ядрышко морфологически подразделено на 3 отдельных компонента:
- слабоокрашенный компенент - фибриллярные центры содержа гены рРНК
- фибриллярные центры, состоящие из множества тонких (5 нм) РНП фибрилл - РНКтранскрипты
- гранулярный компонент - предшественники рибосомных частиц
- белковый остов, матрикс (скелет, скефолд), ядрышко не распадается, не теряет своей
общей формы.
7. Хроматин – материальный носитель наследственной информации. Химическая
организация:
- около 30-40% приходится на ДНК
- около 60 % на белки:
- белки-гистоны - от 40 до 80%,
- не гистоновые белки – от 4-33%,
- РНК - 0,2-0,5%,
- липиды – 1%,
- полисахариды,
- двухвалентные ионы металлов.
Фракции интерфазного хроматина в зависимости от степени компактизации
Эухроматин – это деспирализованные участки хромосом, транскрипционно активен (несет
гены).
Гетерохроматин (1930-ые гг. Э. Гейтц) – это спирализованные участки хромосом, с
которых в период интерфазы не происходит транскрипция и образование РНК различают:
Конститутивный гетерохроматин или структурный - постоянно конденсированные
участки хроматина, например, центромеры и теломеры. Генетически пассивен,
транскрипционно инертен (генов нет).
Факультативный гетерохроматин - он может переходить в эухроматин, в зависимости от
активности происходящих синтезов.
Структура ДНК в составе хроматина
- Энхансеры – усиливают транскрипцию.
- Сайленсоры – угнетают транскрипцию.
- Сателлитная ДНК (сат-ДНК). По сателлитной ДНК происходит кроссинговер.
- ДНК содержит несколько классов последовательностей нуклеотидов:
* часто (высоко) повторяющиеся последовательности (> 106 раз), входящие во фракцию сатДНК и не транскрибируются. Например – теломеры, спейсеры (интроны).
* фракция умеренно повторяющихся последовательностей ДНК (102-105) – это истинные
гены.
* фракция уникальных последовательностей, несущая информацию для большинства
белков клетки.
- Последовательность центромерных ДНК - состоит из повторяющихся участков по 110 п.н.
обогащенного АТ-п.о. С центромерной ДНК ассоциируются центромерные белки,
участвующие в образовании кинетохора – структуры, обеспечивающей связь хромосом с
микротрубочками веретена и движении хромосом в анафазе.
Белки хроматина
*- Белки гистоны
- Н2А - богатые аргинином и лизином,
- Н2В - умеренно богатые аргинином и лизином,
- Н3 - богатые аргинином,
- Н4 - богатые глицином и аргинином.
- Гистон H1 - обогащен лизином, состоит из нескольких близкородственных белков с
перекрывающимися последовательностями аминокислот. Н1 – проявляет значительные
межвидовые и межтканевые вариации.
-* Не гистоновые белки (20% всех белков хроматина)
Около 80% из негистоновых белков относится к белкам ядерного матрикса, и митотических
хромосом. Во фракцию негистоновых белков около 450 белков.
* Уровни компактизации ДНК в хроматине.
- Пренуклеосомный находящейся «на полпути» между ДНК и нуклеосомой.
- Нуклеосомный (коровая частица).
- 30 нм – фибрилла
- Петлевые домены (хромомеры) – розетковидные образования, состоящие из многих
петель.
- Хромонемный – это виток (бэнд).
- Хромосомный. Хромосома - постоянный компонент ядра, отличающийся особой
структурой, индивидуальностью. Совокупность числа, величины и морфологии хромосом
называется кариотипом данного вида.
Вторичная перетяжка, соединяющая спутник с телом хромосомы, участвует в процессе
формирования и сборки ядрышек. Поэтому называется ядрышковым организатором
(область локализации генов рРНК).
Деление клетки
Клеточный цикл - совокупность явлений между двумя последовательными делениями
клетки или между ее образованием и гибелью.
Клеточный цикл = G1+S+G2+G0+M
G1 - пресинтетический период
S - синтетический период
G2 - постсинтетический период
G0 - период репродуктивного покоя
M - собственно митоз/мейоз (профаза, метафаза, анафаза, телофаза).
В образовании веретена деления у эукариотических клеток принимают участие:
1. полярные тельца (центриоли центросомы) являются центрами организации (или
нуклеации) микротрубочек.
2. кинетохоры хромосом, связывающей микротрубочки веретена с хромосомой.
Кинетохоры – специальные белковые структуры, располагающиеся в зонах центромер
хромосом и представляют собой трехслойные структуры (диски).
3. Центромеры, участки ДНК хромосом в области которых происходит связывание их с
микротрубочками, могут иметь различную локализацию по длине хромосом. Так
встречаются:
Митоз – деление соматических клеток. Перед деление в S период интерфазы проходит
репликация ДНК и количество ДНК увеличивается 2n4c
Профаза – спирализация хроматина, формирование хромосом, демонтаж ядерной
мембраны и ядрышка, центриоли клеточного центра расходятся к полюсам и от них
формируются микротрубочки (веретена деления).
Метафаза – хромосомы выстраиваются в области экватора и в районе кинетохора к
сестринским хроматидовым нитям присоединяются веретена деления.
Анафаза – веретена деления сокращаются и растаскивают к полюсам клетки сестринские
хроматидовые нити. В области экватора закладывается серединная пластинка из
сократительного белка миозина.
Телофаза – вокруг хромосом у полюсов клетки восстанавливается ядерная мембрана
(кариокинез), серединная полоска формирует сократительное кольцо и отрезает
цитоплазму (цитокинез).
Образуются две клетки 2n2c.
Мейоз – образование половых клеток путем деления диплоидной клетки половых
желез. Два деления.
Мейоз I (редукционное).
Профаза МI – выделяют 5 стадий - Лептонема (лептотена)– или стадия тонких нитей. Идет спирализация хромосом,
хромосома состоит из двух сестринских.
- Зигонема (зиготена, греч. сливающиеся нити) - попарно сближаются (конъюгация)
гомологичные хромосомы. Пару гомологичных хромосом называют биваленты.
- Пахинема (пахитена, греч. толстая) – стадия толстых нитей. Идет дальнейшая
спирализация хромосом. Затем каждая гомологичная хромосома расщепляется в
продольном направлении, такие структуры называют тетрадами, т.е. 4 хроматиды. В это
время идет кроссинговер, т.е. обмен гомологичными участками хроматид.
- Диплонема (диплотена)– стадия двойных нитей. Гомологичные хромосомы начинают
отталкиваться, отходят друг от друга, но сохраняют взаимосвязь при помощи мостиков –
хиазм, это места где произойдет кроссинговер. В каждом соединении хроматид (т.е.
хиазме), осуществляется обмен участками хроматид. Хромосомы спирализуются и
укорачиваются.
- Диакинез – стадия обособленных двойных нитей. На этой стадии хромосомы полностью
уплотнены и интенсивно окрашиваются. Далее см. события профазы митоза.
Метафаза МI - хромосомы после кроссинговера выстраиваются в области экватора и в
районе кинетохора к целым хромосомам от гомологичной пары присоединяются веретена
деления.
Анафаза МI – веретена деления сокращаются и растаскивают к полюсам клетки целые
хромосомы от гомологичной пары. В области экватора закладывается серединная
пластинка из сократительного белка миозина.
Телофаза МI – вокруг хромосом у полюсов клетки восстанавливается ядерная мембрана
(кариокинез), серединная полоска формирует сократительное кольцо и отрезает
цитоплазму (цитокинез).
Образуются две клетки n2c.
Мейоз II – эквационное деление. Редукция сестринских хроматидовых нитей (механизм
митоза).
Профаза – спирализация хроматина, формирование хромосом, демонтаж ядерной
мембраны и ядрышка, центриоли клеточного центра расходятся к полюсам и от них
формируются микротрубочки (веретена деления).
Метафаза – хромосомы выстраиваются в области экватора и в районе кинетохора к
сестринским хроматидовым нитям хромосом присоединяются веретена деления.
Анафаза – веретена деления сокращаются и растаскивают к полюсам клетки сестринские
хроматидовые нити хромосом. В области экватора закладывается серединная пластинка из
сократительного белка миозина.
Телофаза – вокруг хромосом у полюсов клетки восстанавливается ядерная мембрана
(кариокинез), серединная полоска формирует сократительное кольцо и отрезает
цитоплазму (цитокинез).
Образуются 4 клетки nc.
III. ЦИТОПЛАЗМА
1. Вакуолярная система клетки
Аппарат Гольджи
Структурно-функциональная единица А.Г. – диктиосома, в которой выделяют от 3 до 8
цистерн, располагающихся параллельно друг другу на расстоянии 15—20 им. Отделы
диктиосомы (компартменты):
- переходный ЭР (tER) exit sites (сайт выхода). К цис-поверхности АГ прилегает канал ER
на мембране которого находятся особые участки, так называемые сайты выхода (exit sites),
и многочисленные мелкие почки.
- промежуточные везикуло-тубулярные компоненты (VTC) цис – стороны. Он представлен
мелкими пузырьками с окаймлением.
Каждый компартмент АГ обладает своим собственным набором ферментов, являющихся
интегральными белками мембран АГ. Все белки резидентные. Белков АГ – ферменты
процессинга. Во всех компартментах АГ выявлен ряд рецепторов к резидентным белкам,
способствующих их опосредованному рецептором возврату в исходные мембраны.
К вогнутой транс-поверхности АГ примыкают его производные:
- секреторные гладкие пузырьки,
- окаймленные кларином пузырьки,
- лизосомы,
- конденсированные вакуоли (или незрелые секреторные гранулы)
- зрелые секреторные гранулы.
АГ удерживается в определенном положении в клетке с помощью микротрубочек, которые
участвуют в транспорте везиекл которые формируются от транс-стороны АГ.
Микрофиламенты поддерживают полярность АГ.
Функции АГ:
- Процессинг углеводов белков и липидов.
- Сортировка и транспорт белков получая мембраны от ER и поставляя их в плазматическую
мембрану или др. внутриклеточные мембраны.
- Участие в секреции продуктов, синтезируемых в клетке.
- Синтез полисахаридов и гликопротеинов (гликокаликса, слизи).
Эндоплазматический Ретикулум - ЭР
Открытие этой внутриклеточной мембранной структуры в 1945 г. К Портер
Два вида – гранулярный (шероховатый) гр ЭР
- агранулярный (гладкий) агрЭР
грЭР
представлен замкнутыми мембранами, которые образуют:
- вытянутые мешки,
- цистерны
- узкие каналы.
Ширина полостей цистерн зависит от функциональной активности клетки. Но не менее 20
нм. На которых расположены рибосомы.
Функции грЭР:
- синтез белка на экспорт
- синтез мембранных белков и липидов
агрЭР
образован мембранами, образующими мелкие вакуоли и трубки, канальцы, которые могут
ветвиться, сливаться друг с другом. В отличие от гранулярного на мембранах гладкого ЭР
нет рибосом. Биогенез -цистерна грЭР теряет на своей поверхности рибосомы и становится
“гладкой” .
Функции агрЭР:
- метаболизм липидов и некоторых полисахаридов.
- синтез липидов, стероидов (в кл. половых желез), холестерина.
- синтез гликогена в гепатоцитах
- детоксикация
- депонирование кальция (Са-АТФаза).
- восстановление кариолеммы в телофазе митоза
- у высших растений - в синтезе и транспорте терпенов.
Пероксисомы (микротельца).
Сферическая органелла с диаметром от 0.1 до 1.0 μm – содержат нежный гранулярный
матрикс и, по-видимому, паракристаллиновую сердцевину.
В матриксе содержится 15 ферментов (основные - пероксидаза, каталаза D-аминокислот и
уратоксидаза). Сердцевина или нуклеоид соответствует области конденсации ферментов.
Пероксисомы образуются от АЭС путем почкования а в ГЭС синтезируются ферменты
пероксисом.
Функции пероксисом:
– центр утилизации кислорода в клетке,
- расщепление перекиси водорода (который образуется при окислении а.к., углеводов)
каталазой до воды и кислорода,
- детоксикация,
- расщепление жирных кислот
- катализируют расщепление жирных кислот
Пероксисомы делятся во время клеточного цикла независимо от внеклеточных стимулов,
чтобы сохранить свое количество в растущей популяции клеток.
Открыт класс наследственных заболеваний – пероксисомные (12 типов).
У растений разновидности пероксисом: - глиоксисомы и - сферосомы
ПРОТЕАСОМЫ
Одни белки клетки существуют довольно долго, другие живут от нескольких минут до 2—
3 ч. Последние синтезируются только в определенный момент жизни клетки, в ответ на
некоторые внутренние и внешние импульсы. Когда потребность в таком белке отпадает,
специальные факторы сигнализируют о том, что его синтез должен быть остановлен.
У высших эукариот лизосомы разрушают только белки, связанные с мембранами, а также
чужеродные, захваченные во время эндоцитоза (например, вирусные или бактериальные).
К началу 80-х К. Танака и А. Голдберг, открыли органеллу — протеасома, т.е. частица
(сома) с протеолитической функцией.
В 90-х годах выяснилось, что существует 2 вида протеасом, которые отличаются по степени
S. Первую стали называть 20S протеасомой, вторую — 26S протеасомой.
20S протеасома:
- полый цилиндр длиной 15—17 нм, диаметром 11—12 нм. Образованный четырьмя
лежащими друг на друге кольцами. Каждое кольцо состоит из семи белковых субъединиц.
Причем 2 периферических кольца сформированы субъединицами α-типа, а два
центральных — β-типа. Канал внутри цилиндра, расширяясь, образует три камеры:
большую центральную и две меньшие, по краям. В центральной камере и осуществляется
протеолиз.
Выделяют 2 вида регуляторов:
1 - РА700 - (РА 700 -20S- РА 700)
2 – РА28 - (РА28- 20S -РА28)
У млекопитающих до 90% клеточных белков подвергается гидролизу в полости
протеасомы. Белки которые подлежат деградации отмечаются ярлыком - маркером же
служит цепочка не менее чем из четырех молекул белка убиквитина.
ПОРОСОМА
Открыта Бхану П. Дженой (Bhanu P. Jena) и его сотрудниками 2005 г. Поросома
обеспечивает механизм отпочковывания и слияния транспортных везикул, слияния
секреторных пузырьков с плазматической мембраной клетки и высвобождения
содержимого секреторных пузырьков. Поросомы являются местами стыкования
секреторных пузырьков с плазматической мембраной и высвобождения содержимого
пузырьков.
Для осуществления таких важнейших физиологических процессов, как секреция ферментов
и гормонов.
Поросома имеет конусообразную форму и канал глубиной 15—30 нм. В плазматической
мембране секреторных клеток существуют:
- круглые углубления (400—1200 нм в диаметре),
- содержащие поры (слияния — «депрессии» — поросомы, секреторные поры) диаметром
100—150 нм.
В углублениях содержится 3—4 поросомы.
ПП – пористые пластинки
Впервые описаны в 1945 г. а в 1956 г. Swift предложил термин «annulate lamellae» —
пористые пластинки, или окончатые мембраны.
Широкое распространение ПП в опухолевых и раковых клетках. ПП контактируют с
органеллами, включая липидные гранулы.
ПП - органеллы в виде пачки замкнутых плоских мембранных мешков, сплошь
пронизанных поровыми комплексами, имеющими такую же структуру, как и ЯПК.
По строению ПП похожи на мембраны ЭПР. Центральные участки мембран ПП, не
содержат рибосом и относятся, к агЭПС. Периферические отделы ПП часто продолжаются
в цистерны гЭПР, которые, вероятно, обеспечивают синтез белков, необходимых для
сборки новых цитоплазматических пор. Функция ПП пока слабо изучена. Предполагается,
что эти структуры представляют собой депо белков ядерных пор и могут участвовать в
сборке ЯПК.
2. Двумембранные органеллы
Митохондрии
Две мембраны. Внутренняя длиннее наружной поэтому образует складки – кристы.
В цитоплазме клеток проходит второй этап энергетического обмена – гликолиз.
Начальные этапы окисления углеводов происходят в гиалоплазме (анаэробно) анаэробным окислением\брожение или гликолизом.
С6Н12О6 + 6О2 6Н2О + 6СО2 + 680 ккал
В процессе гликолиза происходит неполное окисление субстрата. В результате гликолиза
глюкоза распадается до триоз (С3) или пировиноградная кислота – ПВК/пируват, при этом
тратятся 2 молекулы АТФ из синтезируемых 4 молекулы АТФ. Так что в конечном
результате клетка “зарабатывает” всего 2 молекулы АТФ. В энергетическом отношении
этот процесс малоэффективен, поэтому из 680 ккал, заключающихся в связях 1 моля
глюкозы, освобождается менее 10% энергии.
Несмотря на низкий энергетический выход, анаэробное окисление, гликолиз, широко
используется в живой природе. Он является основным поставляющим энергию процессом
для: многих микроорганизмов, некоторых кишечных паразитических анаэробных
простейших, для клеток высших организмов на ранних стадиях эмбрионального развития,
для многих опухолевых клеток, для клеток культуры ткани и др. Эритроциты
млекопитающих, например, получают всю необходимую им энергию за счет гликолиза, так
как у них нет митохондрий.
Далее ПВК поступает в матрикс митохондрий и включается в третий этап энергетического
обмена, который состоит из трех химических реакций:
1.
Цикл Кребса
2.
Дыхание (электроннотранспортная цепь или ЭТЦ)
3.
Окислительное фосфорилирование.
Цикл Кребса (в матриксе м\х)
В цикле трикарбоновых кислот (цикл Кребса, или цикл лимонной кислоты) поступает
пируват, который окисляется до ацетата (двууглеродное соединение – С2), далее
восстанавливается до оксалацетата (четырехуглеродное соединение - С4) и
шестиуглеродного цитрата С6 (лимонная кислота). Далее цикл повторяется
При этом окислении:
- выделяются две молекулы СО2,
- электроны водорода освободившиеся при окислении, переносятся на коферменты (NADникотинамидадениндинуклеотид или НАД\НАДФ) с образованием восстановленных
эквивалентов - НАД*Н \ НАДФ*Н, которые вовлекают их далее в цепь переноса
электронов.
Компоненты дыхательной цепи или электронно-транспортная цепь ЭТЦ (внтуренняя
мембрана м\х)
Каждый комплекс дыхательной цепи катализирует окислительно-восстановительную
реакцию - перенос электронов и, следовательно, содержит в своем составе простетические
группы (или кофакторы), способные принимать и отдавать электроны.
Выделяют: Комплекс I, Комплекс III, Комплекс IV. Все комплесы (белки) содержат
металлы – железо и медь. Комплекс IV - дыхательный фермент Варбурга,
цитохромоксидаза). Между комплексом 1 и 3 перемещается убихинон (комплекс 2), между
комплексом 3 и 4 – цитохром с.
Механизм работы комплексов дыхательной цепи: электрон водорода от NADH передается
на комплекс 1, далее на убихинон, далее на комплекс 3, далее на комплекс 3, далее на
цитохром с, далее на комплекс 4. На котором электроны, пройдя по атомам железа и меди
в составе комплекса IV, попадают, на кислород, связывающийся в активном центре
цитохромоксидазы, что приводит к образованию воды. При работе всех комплексов в
межмембранном протсранстве накапливаются протоны водорода.
Окислительное фосфорилирование (собственно синтез АТФ)
В 1931 г. В.А. Энгельгардт показал, что биологическое окисление сопряжено с
фосфорилированием АДФ, для фосфорилирования АДФ до АТФ.
АДФ + Н3РО4 → АТФ + Н2О.
По мере работы комплексов дыхательной цепи в межмембранном пространстве
митохондрий накапливаются протоны водорода. Т.е. дыхательная цепь создает протонный
потенциал в 0,25 В. Когда их количество превышает допустимый объем в работу вступает
АТФ-синтаза иногда называется комплексом V или оксисома или грибовидное тело
(состоит из 9 субъединиц).
Этот фермент перекачивает водород в матрикс при этом выделяется энергия на процесс
фосфорилирования АДФ+Ф=АТФ, в присутствии кислорода (окислительное
фосфорилирование).
Немембранные структуры/органеллы
Рибосомы (см. выше рис)
Цитоскелет
Цитоскелет – опорно-двигательная система клетки
Цитоплазма эукариотических клеток пронизана трехмерной сеткой из белковых
филаментов, называемой цитоскелетом. В зависимости от диаметра филаменты
разделяются на три группы:
1. микрофиламенты (6-8 нм),
2. промежуточные волокна (около 10 нм)
3. микротрубочки (около 25 нм).
Все эти волокна представляют собой полимеры, состоящие из субъединиц особых
глобулярных белков.
Функции цитоскелета:
1. Служит клетке механическим каркасом, который придает клетке типическую форму и
обеспечивает связь между мембраной и органеллами.
2. Действует как «мотор» для клеточного движения. Двигательные (сократительные)
белки содержатся не только в мышечных клетках, но и в других тканях. Компоненты
цитоскелета определяют направление и координируют движение, деление, изменение
формы клеток в процессе роста, перемещение органелл, движение цитоплазмы.
3. Служит в качестве «рельсов» для транспорта органелл и других крупных комплексов
внутри клетки. Микротрубочки (МТ) облегчат пути переноса мембран, соединяя различные
органеллы.
Сократительные белки, формирующие цитоскелет
Строение и свойства актина. Актин был открыт в 1948 году венгерским биохимиком
Бруно Штраубом. Мономеры актина - G-актин глобулярный, может взаимодействовать
друг с другом (полимеризация), образуя так называемый фибриллярный (или F-актин).
Микротрубочки построены из глобулярного белка тубулина, представляющего собой
димер α- и β-субъединиц (53 и 55 кДа), которые образуют линейные цепочки, называемые
протофиламентами. Каждая имеет сайт связывания нуклеотидов. Тубулиновые
гетердимерысоединяются конец-в-конец, образуя протофиламенты, с перемежающимися α
и β субъединицами.
Строение молекулы миозина
Молекула миозина похожа на клюшку для игры в гольф. В ней различают головку (тяжелые
цепи) и легкие цепи (рукоятка). На головке миозина есть сайт для связывания с актином.
Миозиновая микрофибрилла представляет собой пучек таких молекул, связанных за
рукоятки, причем часть головок смотрит в одну сторону, а часть - в другую.
I. СТРОЕНИЕ МИОФИБРИЛЛ
в цитоплазме имеется большое количество миофибрилл, обеспечивающих сокращение;
миофибриллы состоят из актиновых (тонких) и миозиновых (толстых) микрофибрилл.
1. актиновая микрофибрилла (тонкая) - основу актиновой микрофибриллы составляет белок
актин, который имеет фибриллярную структуру. В поперечнополосатой мышечной ткани к
актину присоединены еще несколько белков, образующих тропонин-тропомиозиновый
комплекс: тропомиозин - закрывает на молекуле актина места для связывания с миозином
и тропонин С - присоединяет ионы кальция.
Нити фибриллярного актина в скелетных и сердечных мышцах имеют вид двойной нитки
бус.
2. миозиновая микрофибрилла (толстая) построена из молекул миозина.
Актиновые и миозиновые микрофибриллы строго ориентированы вдоль волокна
располагаются параллельно друг другу благодаря строгой ориентации миофибрилл
мышечное волокно и кардиомиоциты имеют поперечную исчерченность.
Строение миофибриллы: различают следующие виды дисков, полосок и линий на
миофибриллах:
o I-диск (изотропный) - светлый диск, в пределах которого располагаются только
актиновые микрофибриллы
o А-диск (анизотропный) - темный диск, в области которого располагаются актиновые и
миозиновые микрофибриллы
o Н-нолоска - светлая полоса, располагающаяся в середине А-диска, здесь имеются только
миозиновые микрофибриллы
o М-линия - находится в середине Н-полоски, здесь прикрепляются миозиновые
микрофибриллы
o Z-линия - находится в середине I-диска, здесь прикрепляются актиновые
микрофибриллы с помощью белков альфа-актинина, виментина и десмина
2. саркомер - это участок мышечного волокна между двумя соседними Z-линиями,
структурно-функциональная единица поперечнополосатой мышечной ткани
В гладкомышечных клетках миофибриллы расположены беспорядочно, актиновые
микрофибриллы одним своим концом прикрепляются к специальным областям внутренней
поверхности цитомембраны, а другим - к миозину, миозиновые микрофибриллы
прикрепляются к специальным местам в цитозоле клетки
II.МИКРОТРУБОЧКИ
Представляют из себя полые цилиндры диаметром 25нм, стенка которых состоит из
полимеризованных молекул тубулина. Все микротрубочки цитоплазмы начинают
полимеризоватся от так называемого центра организации микротрубочек (материнская
центриоль центросомы), причем наращивание идет только на плюс-конце.
Микротрубочки являются основой:
1. ресничек и жгутиков, а также микротрубочки связываются с кинетохорной областью
хромосом в процессе деления.
2. Микротрубочки цитоплазмы выполняют скелетную (каркасную) и двигательную
функции. В комплексе с МАР-белками и АТФ они способны приводить в движение
клеточные компоненты.
3. Центриоли, митотический аппарат.
Клеточный центр - центросома, митотический аппарат
А) Клеточный центр - центросома
Этот термин был предложен Т. Бовери в 1895 г. Центриоли, обычно расположенные в паре
– диплосома (дуплет), окружены зоной более светлой цитоплазмы, от которой отходят
радиально тонкие фибриллы {центросфера).
Совокупность центриолей и центросферы называют клеточным центром или центросома.
В диплосоме центриоли располагаются под прямым углом по отношению друг к другу. Из
двух центриолей различают материнскую и дочернюю.
Вокруг каждой центриоли расположен бесструктурный, или тонковолокнистый, матрикс.
Материнская центриоль включает в себя несколько дополнительных структур:
спутники (сателлиты),
фокусы схождения микротрубочек,
дополнительные микротрубочки, образующие особую зону, центросферу вокруг
центриоли.
Центриоли характерны для клеток животных и отсутствуют у высших растений, низших
грибов и некоторых простейших. В неделящихся клетках центриоли часто определяют
полярность клеток располагаясь вблизи аппарата Гольджи и ядра.
Кроме микротрубочек в состав центриоли входят дополнительные структуры:
Системы микротрубочек центриоли можно описать формулой (9х3)+0, подчеркивая
отсутствие микротрубочек в ее центральной части.
Первая микротрубочка триплета (А-микротрубочка) имеет диаметр около 25 нм и толщину
стенки 5 нм, которая состоит из 13 глобулярных субъединиц. Длина каждого триплета равна
длине центриоли.
Вторая и третья (В и С) микротрубочки отличаются от А-микротрубочки тем, что они
являются неполными, содержат 11 субъединиц и вплотную примыкают к своим соседям.
Каждый триплет располагается к радиусу такого цилиндра под углом около 400.
Кроме микротрубочек в состав центриоли входит ряд дополнительных структур. От Амикротрубочки отходят так называемые “ручки”, выросты, один из которых (внешний)
направлен к С- микротрубочке соседнего триплета, а другой (внутренний) – к центру
цилиндра. Центральная часть цилиндра центриоли занята структурой, напоминающей
тележное колесо; она имеет центральную “втулку” диаметром около 25 нм и 9 спиц,
направленных по одной к А-микротрубочке каждого из триплетов. Сами микротрубочки
триплетов погружены в аморфный материал т.н. муфты или оправы.
В диплосоме лишь одна из центриолей, материнская, содержит ряд дополнительных
структур. Одни из них, перицентриолярные сателлиты, состоят из имеющей тонкое
фибриллярное строение конусовидной ножки, расположенной на стенке центриоли, и
головки, заканчивающейся на этой ножке. Ножки сателлитов часто имеют поперечную
исчерченность. Количество таких перицентриолярных сателлитов непостоянно. Рядом с
диплосомой, но не связанные с ней структурно, могут располагаться плотные мелкие (2040 нм) тельца, к которым подходят одна или несколько микротрубочек (фокусы схождения
микротрубочек). Микротрубочки отходят и от головок сателлитов. Ценросома наз. также
microtubule organizing center (MTOC), микротрубочки растут из MTOC, формируя
образование типа втулки и спиц (hub and spoke), даже во время интерфазы.
Центросомный материал играет существенную роль в
образовании основы ресничек и флагелл. Цилиарная аксонема (axoneme) растет из одного
цилиндра центриоли, называемого базальным тельцем. Это специальные органеллы
движения, встречающиеся в некоторых клетках различных организмов. В основании
ресничек и жгутика в цитоплазме видны гранулы-базальные тельца. Длина ресничек 5-10
мкм, а длина жгутиков может достигать 150 мкм.
Ресничка - это тонкий цилиндрический вырост цитоплазмы с диаметром 300нм покрытый
плазмолеммой. Внутри располагается аксонема (осевая нить) состоящая из микротрубочек.
Аксонема состоит из:
- девяти дуплетов микротрубочек, расположенных по стенке цилиндра и одного дуплета
расположенного в центре.
Дуплет состоит из А-микротрубочки (13 субъединиц) и В-микротрубочки (11
субъединиц). В аксонеме располагается 20 продольных микротрубочек, в базальном тельце
их 27.
- А-микротрубочки несут ручки из динеина направленные к В-микротрубочке соседнего
дуплета.
- От А-микротрубочки к центру отходит радиальная связка - спица, присоединяющаяся к
муфте окружающей центральный дуплет. Спица, оканчиваются головкой,
присоединяющейся к центральной муфте, имеющей диаметр около 70 нм, окружающей две
центральные микротрубочки.
Базальные тельца. Строение и движение ресничек и жгутиков.
Проксимальная часть реснички (базальное тело) погружена в цитоплазму. Диаметры
аксонемы и базального тельца одинаковы (около 150 нм).
Базальное тельце состоит из 9 триплетов микротрубочек. Часто в основании реснички
лежит пара базальных телец, располагающихся под прямым углом друг к другу подобно
диплосоме - центриоли. Две микротрубочки триплетов базального тельца являются
микротрубочками дублетов аксонемы - А- и В-микротрубочки триплетов базального тельца
продолжаются в А- и В-микротрубочках дуплетов аксонемы. Однако внутренние части
аксонемы и базального тельца значительно отличны друг от друга. Часто в зоне перехода
базального тела в аксонему наблюдают аморфную поперечную пластинку, которая как бы
отделяет эти две части. Центральные микротрубочки аксонемы начинаются от этой
пластинки так же, как в этом месте начинается и центральная муфта (капсула).
В основании ресничек и жгутиков часто встречаются исчерченные корешки, или
кинетодесмы, представляющие собой пучки тонких (6 нм) фибрилл, обладающих
поперечной исчерченностью. Часто такие исчерченные кинетодесмы простираются от
базальных телец вглубь цитоплазмы по направлению к ядру. Роль этих структур не ясна
В ресничном эпителии позвоночных множественные базальные тельца возникают вокруг
так называемых дейтеросом – аморфных электронноплотных структур размером от 60 до
700 нм, по периферии которых происходит закладка множественных зачатков базальных
телец. Вокруг одной дейтеросомы образуются до десятка новых базальных телец.
Вторая категория ресничных клеток – клетки с так называемыми первичными ресничками,
не обладающими способностью к движению. Практически все типы клеток, за
исключением клеток крови, мышц и кишечного эпителия, в G0-периоде образуют
первичные реснички, которые отличаются от настоящих ресничек, или киноцилий, тем, что
они не имеют пары центральных микротрубочек и не способны к движению.
При развитии сенсорных клеток сетчатки их наружные сегменты палочек и колбочек
возникают сначала за счет образования первичных ресничек. Возможно, что у
нерецепторных клеток, имеющих такие первичные реснички, последние выполняют
функции внешних анализаторов, являются как бы «антеннами», на поверхности которых
рецепторные молекулы плазматической мембраны могут регистрировать механические и
химические сигналы, поступающие из внешней межклеточной среды.
Промежуточные микрофиламенты
Данные структуры построены из фибриллярных белков. Особенно развиты в клетках
подверженных механическому воздействию. Локализованы, в основном, в околоядерной
зоне и в пучках фибрилл отходящих к периферии клеток.
Белки промежуточных волокон, принадлежащие к пяти родственным семействам и
проявляющие высокую степень клеточной специфичности. Все эти белки формируют
протофиламент. Восемь протофиламентов образуют промежуточное волокно. В их состав
входят четыре типа белков:
- первые кератины, кислые и нейтральные, встречаются в эпителиальных клетках: в
клетках эпителия, волос, ногтей. Молекулярный вес от 40 до 70 тыс. Да.
- Второй тип включает три разновидности белков - виментин, десмин и глиальный белок;
встречаются в соединительной, мышечной тканях и в клетках нервной глии.
- Третий тип - беки нейрофиламентов, в нервных клетках.
- Четвёртый тип - белки ядерной ламины.
Микрофиламенты актина выполняют главным образом статическую функцию. Однако
чаще всего актин принимает участие в динамических процессах, таких, как мышечное
сокращение, движение клетки, фагоцитоз, образование микровыпячиваний и ламеллиподий
(клеточных расширений), а также акросом в процессе слияния сперматозоида с
яйцеклеткой.
