авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ БИБЛИОТЕКА РОССИИ

КОНФЕРЕНЦИИ, КНИГИ, ПОСОБИЯ, НАУЧНЫЕ ИЗДАНИЯ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:     | 1 || 3 | 4 |   ...   | 7 |

«Учебно-методическое обеспечение для подготовки кадров по программам высшего профессионального образования для тематического направления ННС «Нанобиотехнологии» _ ...»

-- [ Страница 2 ] --

Транспорт белков от ЭР к КГ из него. Белки направляются к лизосо мам, плазматическим мембранам или секретируются с помощью КГ. Пере нос белков к комплексу Гольджи (КГ) осуществляется с помощью окайм ленных пузырьков (везикул), отпочковывающихся от ЭР и сливающихся с цистернами Гольджи (Слайд 14). Белки проходят через аппарат Гольджи от цис-цистерн к транс. Транспорт белков через цистерны осуществляется с по мощью окаймленных транспортных везикул. Белки, предназначенные для секреции, сначала попадают в секреторные везикулы, которые сливаются с плазматическими мембранами и высвобождают свое содержимое наружу.

Как окаймленные пузырьки различают белки, предназначенные для разных клеточных компартментов, пока неясно.

Проходя через ЭР и КГ, белки подвергаются интенсивной модификации.

Специальный фермент ЭР присоединяет разветвленный олигосахарид к специфическим аспарагиновым остаткам транспортируемых белков. Далее олигосахарид подвергается действию целого ряда специфических гликозил гидролаз и гликозилированию, эти реакции протекают в ЭР и когда белки проходят через аппарат Гольджи.

2.2. Цитоплазматические мембраны.

Транспорт веществ через мембраны 2.2.1. Структура цитоплазматических мембран.

2.2.2. Виды мембранного транспорта.

2.2.3. Перенос низкомолекулярных соединений через мембраны:

а) пассивный транспорт;

б) активный транспорт.

КЛЕТОЧНАЯ БИОЛОГИЯ 2.2.4. Перенос высокомолекулярных соединений и частиц.

2.2.1. Структура цитоплазматических мембран Цитоплазматическая мембрана (ЦПМ) эукариотической клетки представ ляет собой непрерывный липидный бислой толщиной около 5 нм с включе ниями белков (так называемая «жидкостно-мозаичная модель») (Рис. 3).

Основным назначением наружной цитоплазматической мембраны яв ляется барьерная функция, с одной стороны, определяющая автономность внутреннего пространства клетки по отношению к окружающей среде, а с другой – обеспечивающая избирательный транспорт различных молекул из внеклеточного пространства внутрь клетки и наоборот. Основным условием для подобного функционирования ЦПМ является ее непроницаемость для гидрофильных молекул и ионов, которые могут переноситься с одной сторо ны мембраны на другую только путем пассивной или облегченной диффу зии, механизмами активного транспорта, а также посредством эндоцитоза.

Другим назначением ЦПМ является ее матричная функция, связанная с упорядоченным взаимным расположением и ориентацией мембранных белков, что является необходимым условием для их оптимального взаимодействия.

Рис. 3. Схема строения биологической мембраны.

Федорова М.З., Чернявских С.Д.

Еще одна (рецепторная) функция цитоплазматических мембран в много клеточных организмах связана с восприятием различных сигналов, упоря дочивающих и синхронизирующих различные биохимические процессы в сообществах клеток. При этом в большинстве случаев первичные сигналы (в переводной литературе их называют «мессенджерами»), информирующие о необходимости изменения интенсивности или направленности клеточного метаболизма, доставляют эту информацию к цитоплазматической мембране, но сами в клетку не проникают. На поверхности клетки с ними специфически связываются специализированные мембранные белки-рецепторы, способные передавать воспринимаемые сигналы внутрь клетки в виде вторичных мес сенджеров, осуществляющих свою регуляторную функцию уже по другую сторону ЦПМ – в цитоплазме. Каждая эукариотическая клетка имеет сотни и даже тысячи поверхностных рецепторов, число же вторичных мессенджеров существенно ниже (чуть более 10), среди которых одними из ведущих явля ются циклические мононуклеотиды: цАМФ и цГМФ.

Иммунологическая функция ЦПМ связана с экспонированием на ее по верхности специфических молекул (антигенов), позволяющих иммунной системе многоклеточных организмов отличать «свои» клетки от «чужих».

В качестве примеров подобной генетической индивидуальности клеточной поверхности можно привести антигены групп крови, свойства которых обу словлены тонкой структурой углеводных остатков гликопротеинов и глико липидов ЦПМ, а также важнейший комплекс антигенов, называемых «транс плантационными антигенами» или «антигенами гистосовместимости», рас познаваемыми детерминантами которых служат полипептидные цепи групп трансмембранных белков.

На базе наружной цитоплазматической мембраны в процессе эволюции в клетке образовалась сложная система внутриклеточных мембран, имеющих с ЦПМ множество общих черт молекулярной организации. При этом данные мембраны, обеспечивая компартментализацию клетки (разделение ее вну треннего пространства на ограниченные мембранами отсеки – компартмен ты), сохраняют за собой барьерные, механические и матриксные функции. В результате в различных компартментах поддерживаются условия, отличные от таковых в остальных участках клетки, что позволяет одновременно и от носительно автономно осуществлять самые разнообразные биологические процессы.

Основой мембраны являются липиды. Большая их часть в мембране эука риотических клеток представлена фосфолипидами, которые составляют 65 80% всех липидов. Наиболее часто в структуру молекулы входит глицерол, две гидроксильные группы которого этирифицированы жирными кислотами, а третья занята остатком фосфорной кислоты, к которой, в свою очередь, КЛЕТОЧНАЯ БИОЛОГИЯ присоединяется спирт. Соответственно, фосфат с различными замещениями формирует гидрофильный участок («голову») данной молекулы и определя ет ее растворимость в полярных растворителях, например воде. Напротив, отходящие от глицеринового остова остатки жирных кислот (гидрофобный «хвост») неполярны и поэтому в воде нерастворимы.

Принципиально важно, что цепи жирных кислот могут различаться по длине (число атомов углерода варьирует в диапазоне 14-24), а также нали чию и количеству двойных цис-связей, что играет важную роль в определе нии текучести мембраны. В частности, укорочение углеводородных цепей позволяет упаковывать их в менее жесткие структуры и, соответственно, способствует повышению текучести мембраны. Этому же способствуют и двойные ненасыщенные цис-связи в структуре остатков жирных кислот, при образовании которых соседние углеродные атомы утрачивают способность к взаимному вращению и занимают фиксированную позицию. Образующиеся при этом изгибы в углеводородной цепи предотвращают плотную упаковку гидрофобных «хвостов» фосфолипидных молекул и за счет этого повышают текучесть мембраны.

Следует также указать, что в зависимости от условий обитания (смена се зона года для спящих зимой животных, изменение солености воды для про ходных рыб и др.) фосфолипидный состав их мембран может приобретать существенные различия. В частности, понижение температуры окружающей среды вызывает увеличение количества двойных цис-связей в жирнокислот ных цепях мембранных фосфолипидов холоднокровных животных и тем са мым снижает температуру фазового перехода.

Фосфолипиды могут относительно свободно перемещаться в плоскости занимаемого ими слоя двойной цитоплазматической мембраны, но не спо собны самостоятельно переходить с ее экстрацеллюлярной поверхности на протоплазматическую и наоборот.

Вторая группа липидных молекул цитоплазматических мембран эукарио тических клеток представлена гликолипидами, в структуру которых входят простые или сложные сахарные остатки. При этом в самой мембране подоб ные липиды расположены наиболее асимметрично и обнаруживаются только в ее наружном слое. Их полисахаридные «головы» выступают над поверхно стью клетки и служат специфическими рецепторами для различных молекул, а также играют важную роль в обеспечении межклеточных взаимодействий при росте и дифференцировке тканей.

Третий основной класс мембранных липидов эукариот – холестерол. Важ ной особенностью молекул холестерола является то, что, в отличие от фосфо липидов и гликолипидов, они относительно легко могут «перескакивать» из наружного слоя цитоплазматической мембраны во внутренний и наоборот.

Федорова М.З., Чернявских С.Д.

Основные структурные особенности цитоплазматической мембраны определяются свойствами липидного бислоя, но большинство присущих им специфических функций осуществляется белками, которые составляют при близительно 50% от массы большинства клеточных мембран. Количествен ный и качественный состав белков в различных мембранах сильно варьиру ется: в миелиновой мембране, богатой гликолипидом галактоцереброзидом и служащей для изоляции аксонов, белки составляют менее 25% от ее массы, а в мембранах, связанных с процессами превращения энергии (во внутренних мембранах митохондрий и хлоропластов), на их долю приходится уже 75% массы.

В состав мембран входят трансмембранные, интегральные и перифери ческие белки. Основная масса трансмембранных белков представляет со бой гликопротеины. При этом существует два различных варианта присое динения олигосахаридов к полипептидной цепи: они могут быть пришиты N-связью к остаткам аспарагина или О-связью к остаткам серина или трео нина. N-связанные олигосахариды обычно содержат около 12 сахаров и стро ятся на основе общего ядра из остатков маннозы, а О-связанные олигосаха риды значительно короче (около четырех сахарных остатков). При этом, как и в случае с гликолипидами, сахарные цепи всегда присутствуют только на экстрацеллюлярной стороне мембраны, что определяется особенностями их образования в аппарате Гольджи. Еще один аспект асимметричного располо жения трансмембранных белков определяется состоянием сульфгидрильных (SH) групп аминокислоты цистеина, которые остаются восстановленными в цитоплазматических доменах, но часто используются для формирования дисульфидных (S-S) связей во внеклеточных доменах.

Многие трансмембранные белки являются рецепторами, внеклеточный домен которых воспринимает различные сигналы из внешней среды (первич ные мессенджеры), а внутриклеточный домен содержит каталитический или «активизирующий» центр, передающий подобную информацию действую щим в цитоплазме вторичным мессенжером. Политопные же белки имеют в своем составе более одного пересекающего мембрану гидрофобного домена и в результате этого способны формировать в ней трансмембранные поры (каналы), по которым могут проходить относительно крупные или заряжен ные молекулы, для которых сама мембрана абсолютно непроницаема.

Второй тип белковых молекул – интегральные белки – ковалентно связан с другими структурными молекулами ЦПМ. При этом возможно выделение так называемых «липид-связанных» и «углевод-связанных» интегральных белков. Первые из них часто прикреплены к бислою амидной связью между N-концевой аминокислотой (в качестве которой достаточно часто высту пает глицин) и карбоксильной группой длинной жирной кислоты (как пра КЛЕТОЧНАЯ БИОЛОГИЯ вило, миристиновой или пальмитиновой). Другие липид-связанные белки образуют тиоэфирную связь между С-концевым цистеином и изопреновой структурой особого типа, близкой по строению к холестеролу. При этом по добные белки могут быть обращены как внутрь цитоплазмы, так и во внеш нюю среду, что определяется выполняемыми ими функциями. На этом фоне углевод-связанные белки всегда находятся только во внешнем слое ЦПМ и ковалентно прикрепляются к расположенному здесь гликолипиду гликозил фосфоинозиду с помощью фосфодиэфирной связи.

Белки третьего типа, называемые периферическими белками, в отличие от трансмембранных и интегральных белков, не погружены в липидный бислой и не соединены с ним ковалентно. При этом периферические белки в основном удерживаются возле мембраны сильными ионными взаимодей ствиями, возникающими между ними и интегральными или трансмембран ными белками ЦПМ. Примером подобного периферического белка является спектрин, представляющий собой тонкую гибкую «палочку» длиной около 100 нм из двух антипараллельных и слегка перекрученных друг относитель но друга полипептидных цепей:

-спектрина с молекулярной массой 240 кДа и -спектрина с молекулярной массой 220 кДа. В мембранах эритроцитов спектрин составляет около 25% массы мембранных белков, что соответству ет его содержанию в количестве 2,5х105 копий на клетку.

Непосредственно под цитоплазматической мембраной спектриновые ге теродимеры самопроизвольно агрегируют, образуя более протяженные те трамеры длиной около 200 нм. В свою очередь, концы пяти или шести по добных тетрамеров соединяются между собой в так называемый «узловой комплекс», который со стороны цитоплазмы взаимодействует с актиновыми филаментами, а со стороны ЦПМ с так называемым «белком полосы 4.1»

(последний называется так, поскольку при электрофорезе в полиакриламид ном геле он занимает соответствующее положение относительно других бел ков мембраны эритроцита).

С самой же цитоплазматической мембраной образующаяся структура связана благодаря взаимодействию -цепей спектриновых тетрамеров с ци топлазматическим доменом трансмембранного белка «полосы 3», которое осуществляется через еще одну белковую молекулу – анкирин. Таким об разом, под внутренней цитоплазматической поверхностью мембраны об разуется гибкая сетеподобная структура, способная противостоять внешне му давлению на мембрану и поддерживающая структурную целостность и двояковогнутую форму эритроцита. Аналогичные, но гораздо более совер шенные и сложные сети лежат в основе цитоплазматических мембран и дру гих эукариотических клеток, поддерживая их форму и обеспечивая упругие свойства.

Федорова М.З., Чернявских С.Д.

Описанная выше структура цитоплазматической мембраны определяет ее важные функциональные особенности, среди которых основными являются текучесть, упругость, асимметрия и неоднородность.

Наиболее универсальной из них, характерной для мембран, является те кучесть. В ее определении основное участие принимают молекулы липидов, находящиеся в процессе непрерывной вращательной и латеральной диффу зии. Свой вклад в обеспечение текучести вносят и мембранные белки, однако в этом случае представления о цитоплазматической мембране как о «липид ном море», в котором свободно плавают «белковые айсберги», является силь но упрощенным. Многие клетки демонстрируют способность удерживать мембранные белки в специфических доменах, что в значительной степени обеспечивается их «заякореванием» на примыкающие к цитоплазматической мембране внутренние цитоскелетные структуры эукариотической клетки.

Вторым важным свойством цитоплазматической мембраны эукариоти ческой клетки, принципиально отличающим ее от аналогичных структур прокариот, является упругость, в отсутствие поверхностно расположенной клеточной стенки определяемая особенностями липидного состава и органи зацией белковых структур. Холестерол является ключевой липидной молеку лой, обеспечивающей упругость мембран, так как он в силу слабых его ам фифильных свойств способен быстро переходить из наружного во внутрен ний слой ЦПМ и обратно. Основной же белковой структурой, участвующей в обеспечении упругости ЦПМ, является спектриновая сеть, выстилающая мембрану с ее цитоплазматической стороны и способствующая сохранению ее целостности при давлении извне.

Цитоплазматические мембраны асимметричны, т. е. между наружным и внутренним слоями имеются существенные количественные и качественные различия по составу формирующих их молекул. При этом асимметрия в мем бранах эукариот оказывается выражена в значительно большей степени, чем у прокариот, что объясняется участием в этом не только белков, но и фос фо-, и гликолипидов. В частности, фосфатидилхолин и сфингомиелин рас полагаются во внешней стороне бислоя липидов, а фосфатидилэтаноламин и фосфатидилсерин – на его внутренней стороне, что определяет формиро вание различий между этими слоями по их текучести и заряду. Механизм асимметричного распределения липидов определяется работой специальных белков-транслокаторов, которые по энергозависимому механизму переносят эти молекулы из одного слоя в другой.

Наиболее же асимметрично в ЦПМ расположены молекулы гликолипидов и гликопротеидов, находящихся исключительно в ее наружном слое. Подоб ный характер их распределения в мембране определяется на этапе биосин теза в цистернах аппарата Гольджи, где присоединение сахарных остатков к КЛЕТОЧНАЯ БИОЛОГИЯ молекулам липидов и белков происходит только на участках, обращенных в полость данного компартмента. В результате последующей транспортиров ки подобных гликозилированных молекул к поверхности клетки на послед ней образуется обогащенная углеводами периферическая зона, обозначаемая термином «гликокаликс».

Составляющие гликокаликс углеводы могут быть не только присоеди нены к молекулам, входящим в состав ЦПМ, но и представлять собой сво бодные гликопротеины и протеогликаны, первоначально секретированные клетками во внешнюю среду и лишь затем адсорбированные на клеточной поверхности. Некоторые из этих адсорбированных макромолекул являются компонентами внеклеточного матрикса, так что вопрос о том, где кончается цитоплазматическая мембрана и начинается внеклеточный матрикс, можно считать чисто семантическим. Функциональное же предназначение гликока ликса определяется его важной ролью в процессах межклеточного узнавания и адгезии.

Последней важной особенностью мембран клеток является их неодно родность, при характеристике которой необходимо выделить два основных аспекта. Во-первых, в одном и том же многоклеточном организме ЦПМ раз личных клеток может существенно отличаться как по количественному, так и по качественному составу входящих в их структуру молекул. Подобные различия дополняются особенностями белкового состава ЦПМ различных клеточных линий, что может определять особенности их чувствительности к гормональным воздействиям. Во-вторых, представления о неоднородности в значительной степени основаны на различиях между наружной и внутренней мембранами эукариотических клеток, последние из которых обеспечивают разделение внутреннего пространства на множество отсеков – органелл. При этом комплекс подобных различий затрагивает липидный состав подобных мембран (например, наружная мембрана животной клетки содержит холесте рол и иное соотношение фосфолипидов), а также проявляется в существова нии у наружной цитоплазматической мембраны поддерживающего белкового каркаса (спектринового цитоскелета) и «углеводной шубы» (гликокаликса), окружающей бислой с внешней стороны. Не менее выражены и различия между наружной и внутренними мембранами по белковому составу, отража ющему их функциональные особенности. В частности, ферментными мар керами наружной цитоплазматической мембраны являются аденилатциклаза и Nа+-К+-АТФаза. Мембраны эндоплазматического ретикулума могут быть распознаны по наличию фермента глюкозо-6-фосфатазы, аппарата Гольджи – галактозилтрансферазы, а для внутренней митохондриальной мембраны типично присутствие значительных количеств АТФ-синтетазы.

Федорова М.З., Чернявских С.Д.

Количественные характеристики биомембраны:

1) соотношение по общей массе липидов и белков в мембранах обычно близко к 1:1, иногда варьирует от 4:1 до 1:4;

2) липиды (в отличие от белков) являются низкомолекулярными веще ствами. Их молекулярная масса практически на 2 порядка ниже молекуляр ной массы многих белков;

3) соответственно, количество липидных молекул на 2 порядка больше, чем молекул белков;

4) площадь мембранной поверхности для липидной молекулы – ~ 0,5 нм2, для белковой – 20-30 нм2;

5) толщина мембраны до 7-10 нм (5,3 нм – толщина липидного бислоя);

6) в случае плазмалеммы с внешней поверхности находится еще гликока ликс, его толщина от 4 до 200 нм (гликокаликс – это совокупность различных белков, связанных с плазмолеммой).

2.2.2. Виды мембранного транспорта Мембранным транспортом называют любой переход атомов, ионов, моле кул веществ через мембрану из среды в клетку или в обратном направлении, независимо от путей, сил и механизмов переноса (Рис. 4, слайды 15, 16).

Проницаемость мембраны – это способность мембраны пропускать че рез себя атомы, ионы, молекулы веществ. В зависимости от характера связи транспорта данного иона металла или молекулы конкретного вещества от переноса других ионов или молекул веществ, выделяют:

– унипорт – транспорт ионов или молекул через мембрану независимо от транспорта других соединений, например, молекул газов, воды;

– симпорт – одновременный и однонаправленный перенос ионов или мо лекул двух различных веществ, например, перенос ионов Na+ и глюкозы че рез мембрану клеток эпителия тонкой кишки;

– антипорт – одновременный транспорт ионов или молекул веществ через мембрану в противоположных направлениях.

Симпорт и антипорт относят к котранспорту. Котранспорт – взаимозави симый транспорт ионов или молекул веществ через мембрану.

Биомембраны являются высокоспециализированными транспортными системами, которые обеспечивают избирательную проницаемость веществ преимущественно в одном направлении. Транспорт веществ осуществляют специальные мембранные структуры: каналы, переносчики, насосы.

Каналы – образования белковой природы (чаще всего крупные молекулы белка), имеющие центральную полость для прохождения преимущественно ионов одного вида (Na+, K+, Cа2+, H+) и механизмов, обеспечивающих их от крытие и закрытие.

КЛЕТОЧНАЯ БИОЛОГИЯ Переносчики – молекулы веществ, осуществляющие транспорт ионов или молекул в результате временного взаимодействия их с веществом. В роли переносчиков выступают ионофоры, сиаловые кислоты, белки.

Рис. 4. Схема мембранного транспорта.

Насосы – мембранные АТФазы, специализирующиеся на проти воградиентном переносе ионов Na+, K+, Ca2+, H+ за счет энергии гидролиза АТФ.

По способам использования энергии выделяют:

– пассивный транспорт – перенос вещества идет самопроизвольно по электрохимическому градиенту с уменьшением свободной энергии системы (клетки);

– активный транспорт – подразумевает перенос веществ, как правило, против электрохимического градиента с участием АТФаз с затратой энергии гидролиза АТФ непосредственно в акте переноса (это первично-активный транспорт);

– вторично-активный транспорт – это перенос соединений за счет пред варительно созданных градиентов при первично-активном транспорте.

Вторично-активный транспорт обеспечивает котранспорт глюкозы (саха Федорова М.З., Чернявских С.Д.

ров), аминокислот за счет создания градиента ионов Na+ на мембране и его уменьшения во время транспорта веществ.

Мембраны подразделяются на проницаемые, полупроницаемые, избира тельно-проницаемые. Проницаемые мембраны – это мембраны, одинаково хорошо пропускающие ионы, молекулы веществ в обоих направлениях.

Полупроницаемые мембраны – это мембраны, через которые проходят только одни вещества в прямом и обратном направлении, а другие вещества вообще не проходят.

Избирательно-проницаемые (селективные) мембраны – это мембраны, избирательно пропускающие одни соединения и не пропускающие близкие по структуре вещества.

Чтобы избежать некорректных оценок, необходимо четко различать такие понятия, как проницаемость мембраны и накопление вещества в клетке. Про ницаемость мембраны для ионов, веществ – понятие динамическое, опреде ляемое количеством их молей, проникающих через единицу поверхности в единицу времени, т. е. коэффициентом проницаемости. Понятие «накопле ние» вещества в клетке эквивалентно понятию «содержание, концентрация»

вещества в клетке и определяется количеством химически связанного дан ного соединения с веществом цитоплазмы, количеством адсорбированного и количеством физически растворимого вещества.

2.2.3. Перенос низкомолекулярных соединений через мембраны Существует три способа переноса низкомолекулярных веществ через биологические мембраны:

1) простая диффузия;

2) облегченная диффузия;

3) активный транспорт.

При простой диффузии вещество непосредственно диффундирует через мембрану по концентрационному градиенту.

Движущими силами пассивного переноса веществ через мембрану слу жат градиенты:

1) концентрационный – для нейтральных молекул;

2) электрохимический – для ионов;

3) осмотический и градиент гидростатического давления – для воды;

4) градиент парциальных давлений для газов.

Часто наблюдается суперпозиция градиентов, т. е. одновременно имеет ся несколько градиентов, накладывающихся друг на друга. В таком случае перенос веществ будет определяться результирующей всех градиентов. Если градиенты имеют одинаковое направление, то результирующий перенос бу КЛЕТОЧНАЯ БИОЛОГИЯ дет равен сумме потоков вещества по отдельным градиентам. В случае двух противоположных по направлению градиентов результирующий перенос вещества будет равен разности потоков по отдельным градиентам, и иметь направление, совпадающее с направлением того градиента, абсолютная ве личина которого больше.

Пассивный транспорт через мембрану происходит за счет концентраци онного градиента для молекул неэлектролитов и за счет электрохимического градиента для ионов. Этот вид переноса веществ осуществляется путем про стой диффузии и облегченной. Разновидностью диффузии является осмос.

Отличие его от диффузии состоит в том, что по градиенту концентрации диффундируют молекулы растворителя. Жирорастворимые вещества спо собны проникать непосредственно через липидный бислой, растворяясь и диффундируя в нем. Гидрофильные агенты могут пересекать липидный бис лой, используя другие механизмы. Ион может образовывать липофильный (гидрофобный) комплекс с переносчиком миграционного типа и диффунди ровать в таком чехле сквозь липидный бислой.

При облегченной диффузии вещество проходит через мембрану по кон центрационному градиенту с помощью специального транспортного белка – транслоказы. Транслоказы – это интегральные белки, обладающие опреде ленной специфичностью в отношении переносимых веществ. Например, ани онные каналы в плазмолемме эритроцитов, кальциевые каналы в саркоплазма тическом ретикуломе, калиевые каналы в возбудимых клетках. Практически всегда с помощью транслоказ переносится такое вещество, которое не способ но к простой диффузии через мембрану. Транслоказы состоят из нескольких субъединиц. С учетом этого возможны несколько вариантов работы:

1. между субъединицами имеется всегда открытый гидрофильный канал, доступный лишь для веществ определенного размера и заряда;

2. канал открывается только при связывании с одной из его сторон спец ифического лиганда;

3. канал не образуется вообще, а перенос осуществляется путем поворота транслоказы (вместе со связанным лигандом) на 1800 в плоскости мембраны.

Независимо от механизма, направление и скорость переноса вещества транслоказой определяется разностью концентраций этого вещества по обе стороны мембраны. Молекулы лиганда могут связываться с транслоказой с одной и с другой стороны и, соответственно, переносится в обоих направле ниях, что и определяет общий результат диффузии. Вместе с тем возможен феномен, отсутствующий при простой диффузии – явление насыщения. При неуклонном повышении концентрации лиганда с одной стороны мембраны скорость переноса не может расти беспредельно, она увеличивается до неко торого передела. При этой максимальной скорости каждая транслоказа функ Федорова М.З., Чернявских С.Д.

ционирует без периодов простоя. Имеется целая группа транслоказ, обеспе чивающих диффузию одновалентных катионов. К ним относятся калиевые каналы, натриевые каналы и катионные каналы.

Ионные каналы представляют собой макромолекулы, которые образуют сквозные гидрофильные поры в липидном матриксе и способны регулиро вать транспорт ионов через мембрану клетки. Ионные каналы – это ионосе лективные фильтры, способные избирательно регулировать проницаемость клетки для ионов. В поре имеется узкий селективный фильтр (центр узнава ния) вблизи поверхности мембраны, в основе функционирования которого лежит принцип стерического соответствия. Его назначение заключается в том, чтобы не пропускать в канал и из канала ионы большего и меньшего размеров.

Вблизи внутренней поверхности мембраны располагается воротное устройство, которое управляется трансмембранным электрическим полем при помощи конформационно-лабильного электрического сенсора напряже ния. Сенсором напряжения являются полярные группы белковых молекул, которые способны реагировать на изменения электрического поля.

Калиевые каналы (внутренний диаметр 0,3 нм) содержатся в плазмолем ме многих клеток, они постоянно открыты при любом функциональном со стоянии клетки. Натриевые каналы (внутренний диаметр 0,55 нм) имеются лишь в тех мембранах, которые способны к возбуждению. Это плазмолемма нервных клеток, миоцитов, сперматозоидов, сенсорных клеток. Принципи альное отличие их от калиевых каналов в том, что они открыты при опреде ленном состоянии клетки. Как правило, таким состоянием является возбуж дение. Исключением являются светочувствительные клетки сетчатки глаза, в которых при возбуждении натриевые каналы закрываются. Согласно рас четам за 1 импульс через каждый натриевый канал проходит около 500 ионов натрия в клетку. На пике возбуждения избыток положительных ионов оказы вается уже не вне, а внутри клетки, т.е. натрий движется в клетку быстрее, чем калий выходит из нее. При этом возникновение положительной разницы потенциалов индуцирует закрытие натриевых каналов. Поэтому в данном месте мембраны быстро восстанавливается нормальное значение мембран ного потенциала за счет постоянно открытых калиевых каналов. Весь цикл возбуждения локуса мембраны длится около 1 мл секунды.

Катионные каналы – находятся в постсинаптической мембране холинер гических синапсов, содержащих н-холинорецепторы. Н-холинорецепторы выполняют двойную функцию – являются рецепторами ацетилхолина и кана лами для натрия и калия. Такие каналы содержатся в вегетативных ганглиях симпатической и парасимпатической нервной системы, а также в окончаниях двигательных нервов на скелетных мышцах. Холинорецепторы возбуждают КЛЕТОЧНАЯ БИОЛОГИЯ ся ацетилхолином и никотином. Они имеют сложное строение: в молекуле 6 субъединиц трех видов общей массой 280 кД. Одна пара субъединиц вы полняет рецепторную функцию, а остальные две пары образуют катионный канал (с внутренним диаметром 0,7 нм). В процессе синаптической передачи с молекулами холинорецептора связываются по две молекулы ацетилхолина.

Это приводит к изменению конформации белковых молекул, в ходе чего дис социирует большая часть ионов кальция и открываются катионные каналы.

Натрий поступает в клетку, калий – выходит из нее. Действие медиатора пре кращается при разрушении ацетилхолинэстеразы и за счет десенсибилиза ции рецептора.

Долгое время оставался открытым вопрос о механизме работы Nа–канала.

Необходимо исходить из биофизических принципов переноса. Если перенос вещества осуществляется белком переносчиком, то при полном его насыще нии транспортирующим веществом (ионом) скорость переноса становится постоянной. Если же говорить о диффузии ионов через канал, то скорость ее будет определятся только броуновским движением ионов и электрохимиче ским градиентом.

Активный транспорт – это трансмембранный перенос ионов против электрохимического градиента за счет энергии гидролиза АТФ специальны ми транспортными АТФазами. Активный транспорт требует энергетических затрат. Транспортная система, осуществляет энергетическое обеспечение переноса несколькими способами:

1. сопряжение переноса вещества с энергодающей реакцией. Такой реак цией служит гидролиз АТФ;

2. в других случаях к гидролизу АТФ приводит сложная совокупность реакций, сопряженных с переносом веществ, например, транспорт амино кислот в эпителиальные клетки кишечника в процессе всасывания;

3. кроме гидролиза АТФ источником энергии для активного транспорта может быть окислительно-восстановительный процесс (например, протон ный градиент в митохондриях);

4. принципиальный механизм энергообеспечения активного транспор та – сопряжение переноса вещества против концентрационного градиента с пассивным переносом другого вещества по градиенту (вторично-активный транспорт).

Принцип работы АТФаз-насосов основан на конформационных пере стройках белковой макромолекулы при взаимодействии с транспортируемым ионом. Впервые активируемую ионами Na+ и K+ АТФазу обнаружил в 1957г.

И.Скоу в гомогенате периферических нервов краба.

Na-K АТФаза относится к ферментам энергозависимого типа, конечным результатом деятельности которой является перенос 3Na+ и 2 ионов K+ че Федорова М.З., Чернявских С.Д.

рез плазматическую мембрану против градиента, (ионы Na+выкачиваются из клетки, а К+ накачиваются внутрь клетки). Таким образом, Na-К-АТФаза является ферментативной системой, осуществляющей первично-активный транспорт одновалентных катионов.

Работа N-K-АТФаза обеспечивает низкую внутриклеточную концен трацию Na+ и высокую К+. Градиент концентрации Na+ на мембране имеет специфические функции, связанные с передачей информации в виде элек трических импульсов, а также с поддержанием транспортных механизмов и регулированием обмена клетки.

Nа-К-АТФаза является глобулярным белком, располагается в толще ли пидного бислоя, она состоит из двух субъединиц: с молекулярной массой 100 кДа и –50 кДа.

Эти субъединицы погружены в бислой, который формирует структу ру глобулыи ориентирует фермент в пространстве. -субъединица выпол няет каталитическую функцию, – каталитически неактивна, но играет важную роль в образовании - -комплексов в мембране. Полипептид ная цепь -субъединицы пронизывает мембрану один раз, в то время как –субъединица – 10. Перенос Na+ и К+ через мембрану совершается в резуль тате конформационных изменений, который претерпевает этот белок. На каждые 2К+выводится 3Nа+, вследствие этого содержимое клетки становится более отрицательным по отношению к внешней среде, а между двумя сторо нами мембраны возникает разность потенциалов.

Условно в работе Nа+-К+- насоса выделяют 6 этапов:

1) Связывание 3Nа+ и фосфорилирование АТФазы на внутренней поверх ности мембраны.

2) Транслокация комплекса со связанными ионами натрия на наружную поверхность мембраны;

3) Перевод 3 ионов Nа+ в межклеточную жидкость и присоединение из нее 2 ионов К+ 4) Гидролиз АТФ с отцеплением молекулы фосфорной кислоты;

5) Вторая транслокация: перенос связанных ионов К+ через мембрану с наружной поверхности на внутреннюю;

6) Завершение цикла: отсоединение двух ионов калия, присоединение трех ионов натрия и фосфорилирование молекулы АТФазы.

Транслокация комплекса и транспортной АТФазы зависит от липидного состава мембраны, который регулируется изменением соотношения ненасыщенных жирных кислот к насыщенным и содержанием холестерина.

Вторично-активный транспорт. При первично-активном транспорте молекулярные системы, интегрированные в мембраны, трансформируют энергию химических связей органических молекул в энергию электрохими КЛЕТОЧНАЯ БИОЛОГИЯ ческих градиентов ионов. Этот вид свободной энергии может быть исполь зован другими переносчиками для транспорта веществ или ионов против их концентрационных градиентов. Такой вид транспорта получил название вторично-активного. Примером вторично-активного транспорта может быть перенос через мембрану против концентрационного градиента ионов Ca2+ – натрий кальциевым обменным переносчиком.

Na+–Ca2+ - обменный переносчик переносит из клетки Ca2+ в обмен на Na, используя энергию электрохимического градиента Na+, который генери + руется на мембране благодаря активности NаК – АТФаза.

Одна из гипотез, позволяющая объяснить молекулярный механизм воз никновения гипертонической болезни. Разрабатывается гипотеза, объясня ющая связь между потребностями соли, нарушением транспорта Nа+ через мембраны и высоким уровнем артериального давления при гипертонической болезни.

Развитие гипертонической болезни у людей обусловлено дефектом почки к экскреции Nа+. Когда у таких людей потребление Nа+ увеличивается, про является тенденция к задержке Nа+ в организме, и как следствие увеличения внеклеточного объема. Это ведет к увеличению экскреции эндогенного инги битора натриевого насоса, который снижает канальцевую реабсорбцию Nа+ и увеличивает экскрецию Nа+, что должно сопровождаться восстановлением внеклеточного объема. Как местный эффект, увеличение содержания инги битора натриевого насоса в организме должно вызвать ингибирование NаК – АТФаза и в клетках других тканей. Ингибирование фермента в клетках глад кой мускулатуры сосудов будет приводить к увеличению концентрации Nа+ в них и следовательно к снижению электрохимического градиента, Nа+. Nа+/ К+ – обменный переносчик начнет работать в обратном режиме: выводить Nа+ из клетки в обмен на Ca2+, концентрация которого в клетках достигает пороговой величины, что будет сопровождаться развитием гипертонуса глад комышечных клеток сосудов.

Для более глубокого понимания процессов вторично-активного транспор та рассмотрим гипотетическую схему работы переносчика глюкозы. Пере носчик глюкозы может находиться в двух конформационных состояниях – «пинг» и «понг». В состоянии «понг» активный центр переносчика рас крыт во внеклеточное пространство и ионы Nа+ занимают свои участки свя зывания. По мере насыщения Nа центров увеличивается сродство центров связывания переносчика к переносимому против градиента концентрации веществу (глюкоза).

Насыщение центров связывания глюкозы вызывает конфирмационную перестройку белковой глобулы переносчика, в результате чего активный Федорова М.З., Чернявских С.Д.

центр переносчика оказывается раскрыт во внутриклеточное пространство («пинг»). Поскольку концентрация Nа+ во внутриклеточном пространстве ниже, чем снаружи Nа+ «покидает» белок-переносчик, в результате чего уменьшается сродство переносчика к глюкозе, которая также оказывается во внутриклеточном пространстве. Освобождение от Nа+ и глюкозы приводит к возвращению белковой глобулы переносчика в первоначальное состояние «понг». То есть степень насыщения переносчиков ионами Nа+ определяет ся степень насыщения переносчиков молекулами глюкозы, концентрацион ный градиент Nа+ будет определять скорость переноса глюкозы белками переносчиками.

2.2.4. Перенос высокомолекулярных соединений и частиц (Слайд 15,16) По направлению транспорта и по характеру переносимых веществ раз личают следующие процессы:

1) Эндоцитоз – перенос частиц в клетку. Его разновидности:

а) пиноцитоз – захват и поглощение клеткой растворимых макромолеку лярных соединений;

б) фагоцитоз – поглощение твердых частиц;

в) эндоцитоз – опосредованный рецепторами, поглощаемый субстрат специфически связывается с поверхностными рецепторами плазмолеммы.

2) Экзоцитоз – перенос частиц и крупных соединений из клетки. Его раз новидности:

а) секреция – выведение из клетки растворимых соединений, которые являются продуктами синтеза клетки. Под секрецией понимают выделение веществ разного размера из клетки в виде секреторных пузырьков, высоко молекулярных и низкомолекулярных веществ;

б) экскреция – выделение из клетки твердых частиц;

в) рекреция – перенос твердых веществ через клетку. Этот феномен ха рактерен для специализированных макрофагов, которые постоянно локали зованы в эпителии слизистых оболочек и кожи. Поглощая с одной стороны бактериальные частицы и выделяя их обломки с другой стороны, эти клетки осуществляют рекрецию.

2.3. Цитоплазма 2.3.1. Структура и функции цитоплазмы.

2.3.2. Физико-химические свойства цитоплазмы.

2.3.3. Микротрубочки цитоплазмы.

КЛЕТОЧНАЯ БИОЛОГИЯ 2.3.1. Структура и функции цитоплазмы Цитоплазма состоит из различных структур (органеллы, включения, ком поненты цитоскелета) и основной цитоплазмы (гиалоплазмы). Термин «гиа лоплазма» (от hyaline – просвечивающийся, прозрачный), «основная плаз ма» или «матрикс цитоплазмы» обозначает наиболее важную часть клетки, ее внутреннюю среду. Основная функция цитоплазмы – обеспечение обмена веществ и энергии. Компоненты цитоплазматического матрикса осуществля ют процессы биосинтеза в клетке и содержат ферменты, необходимые для продуцирования энергии, главным образом за счет анаэробного гликолиза.

С цитоплазматическим мактриксом связаны и коллоидные свойства клетки, лежащие в основе таких процессов, как превращения золь-гель, изменения вязкости, внутриклеточное движение цитоплазмы (циклоз), амебоидное дви жение, образование веретена и деление клетки. Кроме того, он служит ме стом образования фибриллярных структур, обнаруживаемых в специализи рованных клетках, например, кератиновых волокон.

Еще до появления электронного микроскопа в литературе появились сообщения о более тонкой организации гиалоплазмы. В 1910 г. Гайдуков при помощи ультрамикроскопа обнаружил преломляющие свет тельца в тех участках цитоплазмы, которые в проходящем свете казались оптически пустыми. В 1920 г. Бейлис, используя этот же метод для изучения амебы, обнаружил в ее гиалоплазме мелкие частицы, находящиеся в броуновском движении. Применение поляризационного микроскопа дало дополнитель ные сведения. Оказалось, что гиалоплазма большинства клеток изотропна.

В отдельных участках цитоплазмы наблюдается двойное лучепреломление, особенно в тех случаях, когда клетка подвергается действию механических сил. Двойное лучепреломление было обнаружено в эпителиальных клетках;

кортикальный слой некоторых яйцеклеток обладает положительным двой ным лучепреломлением в радиальном направлении. Двойное лучепреломле ние, обусловленное фибриллярной структурой, наблюдается при вытягива нии цитоплазмы плазмодия микроиглой, при образовании псевдоподий и в процессе оплодотворения яиц.

Косвенным доказательством наличия в цитоплазматическом матриксе асимметричных частиц являются данные следующего опыта: если клетки культуры тканей – фагоцитировавшие, намагниченные частицы – поместить в магнитное поле, то эти частицы смещаются, но после снятия поля возвра щаются на место.

По современным представлениям, гиалоплазма – весьма неоднородный компонент клетки;

около мембранных и немембранных структур цитоплаз мы формируется особая субсистема – цитозоль. Для достижения высокой Федорова М.З., Чернявских С.Д.

эффективности различных метаболических процессов вся территория цито плазмы разделена мембранами на замкнутые отсеки (компартменты), основ ными из которых являются гиалоплазма, эндоплазматическая сеть, комплекс Гольджи, лизосомы, пероксисомы и митохондрии.

В электронном микроскопе цитоплазматический матрикс имеет вид гомо генного или тонкозернистого вещества с низкой электронной плотностью. В некоторых клетках наблюдаются тонкие нити толщиной менее 100 А0, кото рые особенно четко видны, когда они располагаются параллельными пучка ми. Предполагаю, что эти нити образуются в результате полимеризации из матрикса в ответ на воздействия окружающей среды или на движения клетки или же возникают как часть структуры, играющей важную роль в делении клетки. Они и придают содержимому клетки консистенцию геля. Нити, свя занные с компонентами цитоплазмы, образуют остов кератиновых волокон и миофибрилл.

С усовершенствованием методов исследования было обнаружено, что ма кромолекулярная структура цитоплазматического матрикса неодинакова не только в различных клетках, но и в разных участках одной клетки. Напри мер, в клетках кишечника найдены тонкие нити, образующие сеть непосред ственно под апикальной поверхностью мембраны. Большое скопление нитей отмечено по обеим сторонам десмосом. Назначение нитевидных компонен тов состоит в поддержании структуры цитоплазмы. Согласно современным представлениям, полипептидные цепи структурных белков, образующих эти сети, удерживаются вместе при помощи поперечных водородных связей, вандерваальсовых сил. Изменение прочности таких поперечных связей или длины цепей и степени их свертывания или агрегации в каком-либо участке протоплазмы может привести к превращению золя в гель и обратно. Эти ни тевидные образования не обязательно должны находится в тесном контакте друг с другом;

структура протоплазмы может поддерживаться и за счет даль нодействующих сил, скрепляющих нити друг с другом.

В последнее время с помощью мегавольтового электронного микроскопа в гиалоплазме клеток Портером была обнаружена микротрабекулярная сеть.

Она представляет собой сеть из тонких фибрилл (2-3 нм толщиной), пересе кающую цитоплазму в различных направлениях и связывающую собой все внутриклеточные компоненты: микротрубочки, различные фибриллярные структуры, мембранные органеллы и плазматическую мембрану. В точках пересечения или соединения концов трабекул (перекладин) сети распола гаются группы рибосом (полисом). Системы таких тонких нитей разделя ют гиалоплазму на две фазы: полимерную, богатую белками, и жидкую – в промежутках между трабекулами. Трабекулярная система состоит из разных белков, образующих друг с другом сложные комплексы. Многие трабекулы КЛЕТОЧНАЯ БИОЛОГИЯ связаны с микротрубочками и микрофиламентами. Функциональная роль этой трабекулярной системы может заключаться не только в создании и под держании внутриклеточного каркаса, но и играть роль в правильной орга низации ферментов в объеме цитоплазмы: ферменты включены в эту сеть и правильно ориентированы, так, чтобы передавать субстрат к следующему ферменту в цепи метаболизма. Эта система динамична, она может распадать ся при изменении внешних условий.

Большая часть белкового содержимого цитоплазматического матрикса относится к глобулярным белкам, но при некоторых физиологических про цессах может возникнуть и фибриллярная структура. Белки, способные пре вращаться из глобулярной формы в фибриллярную, называют структурными белками. После фракционирования клетки и отделения ядерной, митохон дриальной и микросомной фракций остается надосадочная или растворимая фракция, содержащая растворимые белки и ферменты цитоплазматического матрикса. Они составляют 20-25% общего содержания белков в клетке. К важнейшим растворимым ферментам матрикса относятся ферменты, кото рые участвуют в процессах гликолиза и активации аминокислот при синтезе белка. Кроме того, в этой фракции находится растворимая тРНК.

2.3.2. Физико-химические свойства цитоплазмы В физико-химическом отношении гиалоплазма представляет собой кол лоид, включающий в себя различные биополимеры: белки, нуклеиновые кислоты, полисахариды. Вместе с внутриклеточными мембранами вакуоляр ной системы ее можно рассматривать как высокогетерогенную (многофаз ную) коллоидную систему. Эта система способна переходить из золеобраз ного (жидкого) состояния в гель и обратно. При высоких гидростатических давлениях цитоплазма не уплотняется, а обратимо разжижается. Это явление объясняется нарушением связей между молекулами или мицелами в составе гиалоплазмы. Отдельные зоны гиалоплазмы могут менять свое агрегатное состояние в зависимости от условий или от функциональной задачи. Из вестно, что отдельные молекулы белков тубулинов могут быть диспергиро ваны в гиалоплазме, но в определенные моменты они начинают собираться и строить длинные трубчатые структуры – микротрубочки. Этот процесс сборки микротрубочек обратим: при изменении условий жизни клетки (по вышение давления или изменение проницаемости мембран клетки) микро трубочки распадаются до мономерных молекул тубулинов. Таким образом, в гиалоплазме возникают и распадаются фибриллярные и нитчатые комплексы белковых молекул.

Федорова М.З., Чернявских С.Д.

Основные физико-химические свойства клетки, такие как полярность, вязкость, механические свойства, рН и окислительно-восстановительный потенциал, обусловлены цитоплазматическим матриксом.

Полярность яиц. В центрифугированных яйцах некоторых животных клеточные компоненты располагаются слоями, но во время дробления в них сохраняется первоначальная полярность. Это свидетельствует о том, что по лярность определяется цитоплазматическим матриксом.

Действие гидростатического давления. Умеренное гидростатическое давление (350кг/см2) тормозит физиологические процессы, связанные с яв лением желатинизации и разжижения гиалоплазмы. Это торможение зависит от степени вызванного давлением разжижения системы гиалоплазмы и изме нения вязкости. При давлении, особенно когда цитоплазма содержит много оформленных частиц, цитоплазматическая активность изменяется и вязкость цитоплазмы увеличивается.

Изменения вязкости. Вязкость цитоплазмы различных клеток может из меняться под влиянием внешних или внутренних факторов. Относительная вязкость цитоплазмы амебы и других клеток зависит от температуры, в опре деленных пределах которой ее изменения обратимы. При температуре выше 300С (например, у голотурий) вязкость резко повышается вследствие необ ратимого теплового повреждения клетки.

В условиях анаэробиоза вязкость цитоплазмы обычно понижается. Ги пертонические растворы повышают вязкость, а гипотонические – понижают.

Во время митотического цикла и при амебоидном движении вязкость непре рывно изменяется. К числу факторов, которые вызывают эти изменения, от носится способность клетки поглощать и выделять воду.

Механические свойства. С цитоплазматическим матриксом связаны такие механические свойства клетки, как эластичность, сократимость, адгезия, ри гидность, внутриклеточные движения.

РН и окислительно-восстановительный потенциал цитоплазмы. Зна чение рН цитоплазмы и других участков клетки можно определить путем введения индикаторных красителей, изменяющих свой цвет в зависимости от концентрации водородных ионов в среде. В качестве таких индикаторов чаще всего применяют водорастворимые соли сульфированных кислот, кото рые после микроинъекции их в клетку диффузно окрашивают водную фазу протоплазмы. Цитоплазматический матрикс имеет слабокислую реакцию (рН около 6,8). В растительных и животных клетках, а также у простейших можно обнаружить ряд вакуолей, окруженных мембраной, которая по своим свойствам аналогична плазматической мембране. Содержимое этих вакуо лей дает как щелочную так и кислую реакцию. Значение рН нуклеоплазмы в растительных и животных клетках колеблется: 7,6-7,8.


КЛЕТОЧНАЯ БИОЛОГИЯ Характерной особенностью цитоплазмы является ее способность играть роль буфера. Добавление кислот или щелочей в среду или введение их в клетку приводит к изменению рН клетки, но если при этом жизнеспособ ность клетки не нарушена, значение рН быстро восстанавливается до опти мального уровня.

Оксилительно-восстановительный потенциал цитоплазмы можно опреде лить, вводя в клетку некоторые красители, которые изменяют цвет или обесц вечиваются при восстановлении. Эта реакция имеет большое значение, так как она зависит от парциального давления кислорода в среде и от концентра ции ферментных систем и метаболитов в клетке, и, следовательно, являет ся их показателем. Кроме того, она позволяет судить о путях использования химической энергии в клетке. Например, окислительно-восстановительный потенциал цитоплазмы амебы в условиях анаэробиоза равен –0,275 В, а при аэробиозе +0,070 В.

2.3.3. Микротрубочки цитоплазмы Цитоскелет – это основа подвижной архитектуры клеток животных и растений. В гиалоплазме эукариотических клеток располагаются длинные неветвящиеся трубочки. В большом количестве они обнаруживаются в ци топлазматических отростках нервных клеток, фагоцитов, амеб и других кле ток, изменяющих свою форму. Главное функциональное назначение таких микротрубочек цитоплазмы – в создании эластичного внутриклеточного ци тоскелета, необходимого для поддержания формы клетки.

Цитоскелет образован тремя системами белковых нитей: микрофила ментами, состоящими из белка актина, микротрубочками, состоящими из белка тубулина, и промежуточными филаментами, состоящими из разных белков. Эти нити собираются (полимеризуются) из соответствующих белко вых молекул и вновь разбираются на отдельные молекулы. Благодаря такой полимеризации-деполимеризации цитоскелет непрерывно перестраивается, и эти перестройки являются основой изменений формы и движений клеток, лежащих в основе образования клеток и органов. Прогресс в изучении пове дения микротрубочек цитоплазмы был достигнут при использовании метода иммунной флуоресценции. С помощью окрашенных флуорохромами анти тел к тубулинам удалось наблюдать в клетках сеть микротрубочек.

Все клетки ползут, образуя на переднем крае динамичные выросты – псевдоподии разной формы. В псевдоподиях под мембраной клетки полиме ризуются актиновые микрофиламенты, которые связываются с миозином и другими белками. Псевдоподии могут прикрепляться к поверхности подлож ки и, сокращаясь, тянут всю клетку вперед. Таков основной механизм дви Федорова М.З., Чернявских С.Д.

жения. Очевидно, направление движения определяется тем, на каком краю клетки будут образовываться, прикрепляться и сокращаться псевдоподии.

Рассмотрим движения одной из клеток, чаще всего используемых в экс периментах, клеток соединительной ткани – фибробластов. Фибробласты, помещенные в культуру и распластавшиеся на плоской подложке, например, на дне чашки Петри со средой, приобретают форму веера или веретена. Они поляризованы, то есть образуют псевдоподии лишь на одном или двух по люсов. Эти клетки могут ползти направленно в сторону одного из активных полюсов. Их боковые края неактивны.

Благодаря динамике цитоскелета фибробласт может менять форму и на правление движений в ответ на изменения окружающего внешнего мира: на пример, в ответ на изменения питательной среды и поверхности подложки.

Ориентировка этих клеток начинается с того, что клетка получает направлен ный сигнал из внешнего мира. Например, поместим возле одного из краев клетки капилляр и будем из него выпускать в среду раствор веществ, кото рый, попадая на поверхность клетки, вызывает в этом месте поверхности об разование псевдоподий;

в результате клетка начинает направленно двигаться в сторону сигнала. Это явление называется положительным химиотаксисом.

Веществами, вызывающими такой химиотаксис у фибробластов, являются некоторые специальные белки, так называемые факторы роста. Химиотакси ческие вещества связываются со специальными белками – рецепторами в на ружной мембране клетки и активизируют их. Такая активация через какие-то еще неясные промежуточные химические реакции вызывает полимеризацию актина под соответствующим местом мембраны и выпячивание псевдопо дии. Если концентрация активирующих веществ с разных сторон клетки раз лична, то на одном конце клетки будет образовываться и прикрепляться к подложке больше псевдоподий, чем на другом. Контакт с другой клеткой мо жет вызвать действие, противоположное химотаксису: если какой-то участок активного края фибробласта касается поверхности другой клетки, то образо вание псевдоподий в этом месте края немедленно прекращается;

происходит «контактное торможение», или «контактный паралич» этого участка. Меха низмы такого паралича еще неясны, но его биологический смысл очевиден:

благодаря параличу клетка не заползает на другую клетку, но, коснувшись ее, поворачивает туда, где есть свободная поверхность подложки.

Третий внешний фактор, меняющий распределение псевдоподий – раз личная адгезивность («липкость») разных участков поверхности подложки.

Например, посадим клетку не на широкое плоское стекло, а на узкий сте клянный цилиндр, диаметр которого (30 микрометров) лишь немногим боль ше диаметра самой клетки. Тогда фибробласт начинает выбрасывать псевдо подии во все стороны. Но лишь те псевдоподии, которые выброшены вдоль, КЛЕТОЧНАЯ БИОЛОГИЯ а не поперек цилиндра, смогут коснуться свободной поверхности стекла и прикрепиться к ней;

псевдоподии, выброшенные поперек стекла, такой под ложки не найдут, и клетка втянет их обратно.

Таким образом, во всех случаях под влиянием внешних факторов у клет ки возникает первичная поляризация образования и прикрепления псевдопо дий. Однако такая поляризация часто очень неустойчива. Чтобы направлен но двигаться, клетка должна запомнить и стабилизировать эффект внешних факторов. Эта стабилизация выражается в том, что клетка совсем перестает выбрасывать псевдоподии в тех направлениях, где их прикрепление было ме нее удачно, и начинает их выбрасывать более эффективно только в наиболее удачных направлениях, например, вдоль цилиндра или ближе к источнику химиотоксического вещества.

Такая стабильная поляризация достигается благодаря перестройкам ар хитектуры двух цитоскелетных систем – актина и микротрубочек. Первой ее стадией является реорганизация актинового кортекса, то есть сети микрофи ламентов, расположенной под мембраной всей поверхности клетки. Прикре пленные псевдоподии содержат актиновые микрофиламенты, соединенные одним концом с подложкой через мембрану, а другим концом с микрофила ментами в кортексе самой клетки. Там, где прикрепления к подложке прочны, микрофиламенты, пытаясь сократиться, будут тянуть в свою сторону весь кортекс. В тех местах, где прикрепленных псевдоподий больше, натяжение сильнее, и кортекс будет вытягиваться вдоль этого направления натяжений.

При этом актиновые микрофиламенты в кортексе будут, натягиваясь, ориен тироваться вдоль этого направления. Каким-то не известным еще образом ориентировка кортекса определяет места выбрасывания новых псевдоподий:

клетка перестает их выбрасывать на тех боковых краях, которые параллель ны натяжениям. Эта роль натяжения подтверждена прямыми опытами: если один из участков поверхности клетки растянуть механически микроиглой, то образование псевдоподий в таком участке прекращается.

Стабилизация натяжением резко усиливает небольшие количественные различия в числе прикрепленных псевдоподий в разных участках поверхно сти: происходит качественное разделение поверхности на стабильные и ак тивные участки. У фибробластов для стабилизации формы, кроме актиново го кортекса, необходима еще и вторая цитоскелетная система, микротрубоч ки. Если разрушить микротрубочки колхицином или похожим веществом, то фибробласт теряет вытянутую форму, а его актиновые микрофиламенты в кортексе теряют общую ориентировку. Сосредоточить свои псевдоподии на одном участке края такая клетка не может, даже если имеется ориентирую щий внешний фактор, например, цилиндрическая подложка или химиотак сический градиент. Клетка без микротрубочек все время выбрасывает псев Федорова М.З., Чернявских С.Д.

доподии по всему краю во всех возможных направлениях. Разумеется, такая клетка теряет способность направленно двигаться, но как бы совершает «бег на месте».

Таким образом, у фибробластов имеются две степени цитоскелетной ста билизации формы и движений – актиновая и микротрубочковая. В отличие от фибробластов, у некоторых клеток, слабо вытянутых, например у лейкоцитов, разрушение микротрубочек почти не меняет форму и движения;

очевидно, у таких клеток «работает» одна актиновая стабилизация. Лейкоцит меняет ориентировку и направление движений гораздо чаще, чем фибробласт. Мож но сравнить актиновую стабилизацию с кратковременной памятью, которая запоминает эффекты сигналов лишь на небольшое время, а микротрубочко вую стабилизацию фибробласта – с долговременной памятью.

В целом роль цитоплазматических микротрубочек сводится к двум функ циям: скелетной и двигательной. Скелетная, каркасная заключается в том, что расположение микротрубочек в цитоплазме стабилизирует форму клет ки;

при растворении микротрубочек клетки, имевшие сложную форму, стре мятся приобрести форму шара. Двигательная роль микротрубочек заключа ется в том, что они создают систему упорядоченного движения.


Один и тот же механизм в разных его модификациях обеспечивает и дви жение фибробластов при заживлении раны, и движения отростков нейронов при образовании нервной системы, и, вероятно, множество других процес сов морфогенеза, приводящих к формированию нашего многоклеточного организма. При этом поведение каждой отдельной клетки согласовано с по ведением окружающих ее клеток через сигналы, идущие от клетки к клет ке через жидкую среду или прямой клеточный контакт. Каждый тип клеток реагирует на сигналы по-своему. Эти различия определяются химическими особенностями белковых молекул реагирующих систем. При нарушении их структуры клетки перестают разумно реагировать на внешние сигналы, но при этом активируют сами себя. Такая злокачественная трансформация кле ток может вызывать гибель всего организма.

2.4. Метаболический аппарат клетки 2.4.1. Морфофункциональная организация гиалоплазмы.

2.4.2. Митохондрии – органеллы энергетического обмена.

2.4.3. Вакуолярная система клетки:

а) эндоплазматическая сеть;

б) Аппарат Гольджи (комплекс Гольджи или пластинчатый комплекс);

в) лизосомы;

г) пероксисомы.

КЛЕТОЧНАЯ БИОЛОГИЯ 2.4.4. Немембранные органеллы:

а) микротрубочки, микрофиламенты, промежуточные филаменты;

б) клеточный центр;

в) рибосомы.

2.4.1. Морфофункциональная организация гиалоплазмы Термин «гиалоплазма» (от hyaline – просвечивающийся, прозрачный), «основная плазма» или «матрикс цитоплазмы» обозначает наиболее важную часть клетки, ее внутреннюю среду. Основная функция цитоплазмы – обе спечение обмена веществ и энергии. Компоненты цитоплазматического ма трикса осуществляют процессы биосинтеза в клетке и содержат ферменты, необходимые для продуцирования энергии, главным образом за счет анаэроб ного гликолиза. С цитоплазматическим мактриксом связаны и коллоидные свойства клетки, лежащие в основе таких процессов, как превращения золь гель, изменения вязкости, внутриклеточное движение цитоплазмы (циклоз), амебоидное движение, образование веретена и деление клетки. Кроме того, он служит местом образования фибриллярных структур, обнаруживаемых в специализированных клетках, например, кератиновых волокон.

По современным представлениям, гиалоплазма – весьма неоднородный компонент клетки;

около мембранных и немембранных структур цитоплаз мы формируется особая субсистема – цитозоль. Для достижения высокой эффективности различных метаболических процессов вся территория цито плазмы разделена мембранами на замкнутые отсеки (компартменты), основ ными из которых являются гиалоплазма, эндоплазматическая сеть, комплекс Гольджи, лизосомы, пероксисомы и митохондрии.

Электронная микроскопия показывает, что цитоплазматический матрикс имеет вид гомогенного или тонкозернистого вещества с низкой электронной плотностью. В некоторых клетках наблюдаются тонкие нити толщиной ме нее 100 А0, которые особенно четко видны, когда они располагаются парал лельными пучками. Предполагают, что эти нити образуются в результате по лимеризации из матрикса в ответ на воздействия окружающей среды или на движения клетки или же возникают как часть структуры, играющей важную роль в делении клетки. Они и придают содержимому клетки консистенцию геля. Нити, связанные с компонентами цитоплазмы, образуют остов керати новых волокон и миофибрилл.

В последнее время с помощью мегавольтового электронного микроскопа в гиалоплазме клеток Портером была обнаружена микротрабекулярная сеть.

Она представляет собой сеть из тонких фибрилл (2-3 нм толщиной), пересе кающую цитоплазму в различных направлениях и связывающую собой все Федорова М.З., Чернявских С.Д.

внутриклеточные компоненты: микротрубочки, различные фибриллярные структуры, мембранные органеллы и плазматическую мембрану. В точках пересечения или соединения концов трабекул (перекладин) сети распола гаются группы рибосом (полисом). Системы таких тонких нитей разделя ют гиалоплазму на две фазы: полимерную, богатую белками, и жидкую – в промежутках между трабекулами. Трабекулярная система состоит из разных белков, образующих друг с другом сложные комплексы. Многие трабекулы связаны с микротрубочками и микрофиламентами. Функциональная роль этой трабекулярной системы может заключаться не только в создании и под держании внутриклеточного каркаса, но и играть роль в правильной орга низации ферментов в объеме цитоплазмы: ферменты включены в эту сеть и правильно ориентированы, так, чтобы передавать субстрат к следующему ферменту в цепи метаболизма. Эта система динамична, она может распадать ся при изменении внешних условий.

2.4.2. Митохондрии – органеллы энергетического обмена Основная функция митохондрий связана с окислением органических сое динений и использованием освобождающейся при распаде этих соединений энергии, при синтезе молекул АТФ. Поэтому митохондрии часто называют энергетическими станциями клетки. Митохондрии представляют собой гра нулярные или нитевидные органоиды, присутствующие в цитоплазме про стейших, растений и животных (Слайд 17, 19, 20). В живых клетках мито хондрии могут двигаться, перемещаться, сливаться друг с другом. Размеры митохондрий очень непостоянны у разных видов, также как изменчива их форма. Все же у большинства клеток толщина этих структур относительно постоянна (около 0,5 мкм), а длина колеблется, достигая у нитчатых форм до 7-10 мкм.

Локализация митохондрии в клетках может быть различной. Обычно они скапливаются вблизи тех участков цитоплазмы, где возникает потребность в АТФ. Так, в скелетных мышцах митохондрии находятся вблизи миофибрилл.

В сперматозоидах митохондрии образуют спиральный футляр вокруг оси жгутика;

вероятно, это связано с необходимостью использования АТФ для движения хвоста сперматозоида. В аксонах нервных клеток митохондрии располагаются около синапсов, где происходит процесс передачи нервного импульса.

Ультраструктура митохондрий. Митохондрии ограничены двумя мем бранами. Внешняя митохондриальная мембрана отделяет ее от гиалоплаз мы. Ее толщина около 7 нм, она не бывает связана ни с какими другими мембранами цитоплазмы и замкнута сама на себе, так что представляет со КЛЕТОЧНАЯ БИОЛОГИЯ бой мембранный мешок. Внешнюю мембрану от внутренней отделяет меж мембранное пространство шириной около 10-20 нм. Внутренняя мембрана (толщиной около - 7 нм) ограничивает собственно внутреннее содержимое митохондрии, ее матрикс или митоплазму. Характерной чертой внутренних мембран митохондрии является их способность образовывать многочислен ные впячивания внутрь митохондрии. Такие впячивания имеют вид плоских гребней, или крист. Расстояние между мембранами в кристе составляет око ло 10-20 нм. Ориентация крист по отношению к длинной оси митохондрии различна для разных клеток. Так, может быть перпендикулярная ориентация (клетки печени, почек) крист;

в некоторых клетках (сердечная мышца) на блюдается продольное расположение крист. Часто кристы могут ветвиться или образовывать пальцевидные отростки, изгибаться и не иметь выражен ной ориентации.

Митохондриальные кристы, отходящие от внутренней мембраны и про стирающиеся в сторону матрикса, не полностью перегораживают полость митохондрии, не нарушают непрерывности заполняющего ее матрикса. Ма трикс митохондрий имеет тонкозернистое гомогенное строение, в нем ино гда выявляются тонкие нити (около 2-3 нм) -и гранулы около 15-20 нм. Нити матрикса митохондрий представляют собой молекулы ДНК, а мелкие гра нулы – митохондриальные рибосомы. Кроме того, в матриксе встречаются крупные (20-40 нм) плотные гранулы, это места отложения солей магния и кальция. В полости митохондрий находится большое количество белков и многих других органических соединений.

Функции митохондрий. Митохондрии осуществляют синтез АТФ, проис ходящий в результате процессов окисления органических субстратов и фос форилирования АДФ. В клетках процессы окисления и накопления энергии, освобождающейся в результате этого процесса, проходят в. несколько взаи мосвязанных этапов. При этом в качестве начальных субстратов использу ются различные углеводы, жирные кислоты, аминокислоты. Первые этапы окисления приводят, кроме образования АТФ, к появлению промежуточных продуктов, конечное окисление которых в митохондриях дает возможность клетке использовать этот процесс для синтеза основного количества АТФ (Слайд 21).

Ферменты, участвующие в цикле трикарбоновых кислот, локализованы в матриксе, которые находятся в свободном, не связанном состоянии с ми тохондриальными мембранами, за исключением сукцинатдегидрогеназы.

Кроме того, в состав матрикса входят ферменты окисления жирных кислот;

основной продукт окисления жирных кислот – ацетилкоэнзим А – тоже в ма триксе поступает в цикл трикарбоновых кислот, в котором он подвергается дальнейшему окислению до СО2 и Н2О. В матриксе митохондрии происходит Федорова М.З., Чернявских С.Д.

также окисление некоторых аминокислот, поступающих в цикл трикарбоно вых кислот.

Элементы цепи переноса электронов локализованы собственно во вну тренней мембране митохондрий. Внешние митохондриальные мембраны не обладают способностью осуществлять окислительное фосфорилирование, по своему белково-липидному составу напоминают мембраны эндоплазма тического ретикулума и содержат некоторые ферменты внемитохондриаль ного НАД·Н окисления, обнаруженные в микросомах.

Происхождение митохондрий. До последнего времени существовали три группы гипотез о происхождении митохондрий: 1) митохондрии в клетках могут образовываться заново (de novo) из ультрамикроскопических предше ственников, имеющихся в гиалоплазме;

2) митохондрии образуются из дру гих мембранных структур клетки;

3) увеличение числа митохондрий проис ходит путем деления предшествующих митохондрий.

Биохимические данные противоречат первой гипотезе: большинство фер ментов, специфичных для митохондрий (например, цитохромы а, Б, с и d), флавопротеиды и специфические дегидрогеназы), не обнаружено в раство римой цитоплазме. Четких морфологических подтверждений образования митохондрий de novo также не существует.

Идея о возникновении митохондрий за счет вовлечения в этот процесс других мембран цитоплазмы пришла из электронно-микроскопических на блюдений. Существует множество описаний «интимных» морфологических связей внешней мембраны митохондрий с эндоплазматическим ретикулумом, с мембранами аппарата Гольджи, с ядерной оболочкой и с плазматической мембраной. Исходя из таких статистических связей, многие авторы строили умозрительные динамические схемы, показывающие происхождение мем бран митохондрий из других мембран клетки. Все подобные работы основы вались только на коллекциях случайных снимков и не подтверждались экс периментально;

часто выводы делались на основе снимков с недостаточным разрешением. Несмотря на то, что эта гипотеза была очень популярной (осо бенно в связи с гипотезой об универсальности «элементарной мембраны»), в настоящее время она не находит подтверждений ни биохимического, ни морфологического характера.

Основная масса экспериментальных данных говорит о том, что митохон дрии образуются путем роста и деления предшествующих митохондрий.

Это предположение было впервые высказано Альтманом (1893), описавшим митохондрии под термином «биобласты». В электронный микроскоп часто во многих клетках можно видеть деление митохондрий путем образования перетяжки. Полагают, что при делении митохондрий происходит увеличение массы митохондриальных мембран со всеми специфическими компонента КЛЕТОЧНАЯ БИОЛОГИЯ ми за счет синтеза и включения в них отдельных белков – ферментов и липи дов, нарастание массы белков матрикса, а затем происходит деление как бы удвоившейся или многократно увеличившейся структуры.

Относительная автономия митохондрий. Митохондрии обладают пол ной системой синтеза белков: в них есть своя специфическая ДНК, на кото рой синтезируются специфические митохондриальные РНК, есть свои рибо сомы, в них происходит синтез белка. Специфичность этой автосинтетиче ской системы, ее автономность заключаются в том, что она резко отлична от такой системы самой клетки. Синтез митохондриальных ДНК независим от синтеза ДНК ядра: он осуществляется внутри митохондрии на своих фер ментах и часто не совпадает во времени с синтезом ядерной ДНК.

В матриксе митохондрий происходят процессы синтеза РНК на матри цах их ДНК. В митохондриях обнаружены все типы РНК: информационная, трансферная и рибосомная. рРНК и рибосомы митохондрий резко отличны от таковых в цитоплазме. Рибосомная РНК и трансферные РНК митохондрий синтезируются на митохондриальных ДНК. В митоплазме на рибосомах идет синтез белков.

Все эти открытия, показывающие независимое строение и функциони рование системы белкового синтеза митохондрий, возродили гипотезу об эндосимбиотическом происхождении митохондрий, о том, что митохондрии представляют собой организмы типа бактерий, находящиеся в симбиозе с эукариотической клеткой. Предполагается, что когда-то на заре эволюции произошло внедрение в клетку-хозяина, живущую за счет анаэробных про цессов гликолиза в цитоплазматическом матриксе, прокариотического сим бионта, обладавшего ферментами цикла Кребса и ферментами окислитель ного фосфорилирования. В дальнейшем в процессе эволюции происходило не только закрепление этого «союза», но и перестройка его, при котором ми тохондриями была потеряна часть генетического материала, они преврати лись в структуры с ограниченной автономией.

2.4.3. Вакуолярная система клетки:

а) Эндоплазматический ретикулум представляет собой систему ветвя щихся канальцев и уплотненных мешотчатых полостей, пронизывающих всю цитоплазму эукариотической клетки и ограничивающих единое про странство – полость ЭР шириной от 20 до 60 нм, занимающую до 10% от общего объема клетки. Вся эта лабиринтная структура ограничена одиноч ной непрерывной мембраной, на построение которой израсходовано около половины всех клеточных мембран (Слайд 18, 19).

Федорова М.З., Чернявских С.Д.

Функционально ЭР делится на две различные структуры: гладкий эндо плазматический ретикулум, который не содержит рецепторов для рибосом и поэтому свободен от них, и шероховатый (или гранулярный) эндоплазма тический ретикулум, получивший свое название из-за множества рибосом, расположенных на его обращенной к цитозолю поверхности.

Гладкий ЭР играет ведущую роль в биосинтезе липидов и преобладает в клетках, специализирующихся на их метаболизме и синтезе стероидных гормонов. Данные процессы катализируются интегральными мембранными белками ЭР, активные центры которых обращены в цитозоль. Новые липиды свободно диффундируют в плоскости бислоя и быстро смешиваются с ли пидами наружного слоя мембраны ЭР. Кроме того, неспецифические белки – флиппазы – перемещают вновь синтезированные липиды во внутренний слой мембраны ЭР, обеспечивая тем самым быстрое «смешивание» всех гли церофосфолипидов. Формирование асимметрии цитоплазматических мем бран происходит несколько позже – в комплексе Гольджи и плазматической мембране, где АТФ-зависимая транслоказа (аминофосфолипидтранслоказа) переносит фосфатидилсерин и фосфатидилхолин на внешнюю сторону мем браны. Такое дифференцированное перемещение липидов является ключе вым фактором в возникновении липидной асимметрии в мембране.

Вновь синтезированные липиды в дальнейшем переносятся по клетке двумя известными потоками: потоком молекул и потоком везикул. В первом случае липиды с поверхности ЭР переносятся к таким органеллам, как мито хондрии и пероксисомы. При этом для переноса через цитозоль липиды вре менно переводятся в растворимую форму путем их этерифицирования и свя зываются со специальными ацилпереносящими белками. Во втором случае везикулярный механизм обеспечивает транспорт липидов к цитоплазматиче ской мембране, комплексу Гольджи и лизосомам, что предусматривает отпоч ковывание от мембраны ЭР небольших пузырьков, которые первоначально сливаются с мембраной АГ и затем перемещаются к другим органеллам.

Вторая важная функция ЭР – накопление ионов Са2+, концентрация ко торого достигает здесь около 5 ммоль. Эта относительно высокая концен трация поддерживается путем постоянного откачивания данного иона Са2+ АТФазами из цитоплазмы внутрь цистерн, где находятся Са2+-связывающие белки, из которых наиболее важным и повсеместно распространенным яв ляется кальретикулин (46 кДа), имеющий два различных Са2+-связывающих домена. Из полости ЭР также возможен быстрый выброс ионов кальция в цитоплазму, который происходит по градиенту концентрации через транс мембранные Са2+-каналы при поступлении соответствующего сигнала.

Цистерны гладкого ЭР мышечных клеток развились в отдельную сеть, на зываемую «саркоплазматическим ретикулумом». При этом каждый цикл со КЛЕТОЧНАЯ БИОЛОГИЯ кращения миофибрилл инициируется высвобождением Са2+ из саркоплазма тического ретикулума с его последующим повторным захватом из цитозоля.

Производной гладкого эндоплазматического ретикулума является также центральная вакуоль растительных клеток.

Функцией шероховатого эндоплазматического ретикулума является био синтез белков, которые при удлинении полипептидной цепи поступают в полость ЭР (Слайд 22).

Ряд трансмембранных белков, предназначенных для различных клеточ ных мембран, по окончании биосинтеза целиком не переносятся в полость ЭР (как это было описано выше), но остаются «заякоренными» в мембране ЭР при помощи одного или нескольких пронизывающих ее альфа-спиральных участков полипептидной цепи, богатых остатками гидрофобных аминокис лот. При этом асимметрия встраивания белка в мембрану ЭР обеспечивает полярность расположения подобных мембранных белков во всех других ор ганеллах, куда данные белки будут в последующем перенесены с потоком везикул.

После окончания биосинтеза как оказавшиеся в полости ЭР, так и «заяко ренные» в его мембране белки проходят через посттрансляционную модифи кацию, включающую сворачивание полипептидной цепи с приобретением ей вторичной и третичной структуры, формирование дисульфидных мостиков, а также гликозилирование.

Окончательный этап формирования упорядоченной третичной структу ры идет с участием особой группы белков, называемых «шаперонами». По характеру выполняемых ими функций эти белки можно разделить на два больших семейства: собственно шапероны (например, hsp70) и шаперони ны. Шапероны, связываясь с отдельными участками «опекаемой» ими по липептидной цепи, образуют прочные комплексы, удерживающие цепь в раз вернутом состоянии и обеспечивающие оптимальные условия для их эффек тивного сворачивания. Следует отметить, что аналогичным образом шаперо ны действуют и в отношении белков, синтезированных на расположенных в цитоплазме рибосомах, и с потоком молекул, переносимых к различным органеллам. При этом роль hsp70, переносящего к мембранам пероксисом, митохондрий и хлоропластов частично развернутые белки, обусловлена тем, что разворачивание – обязательное условие для трансмембранного проник новения белковой молекулы внутрь данных органелл. В дальнейшем вновь синтезируемый белок передается от шаперона к шаперонинам, взаимодей ствия между субъединицами которых обеспечивают согласованное измене ние конформации в каждом цикле сворачивания.

Кроме того, в полости ЭР происходит ковалентное присоединение к вновь образованным белкам остатков сахаров (гликозилирование белков).

Федорова М.З., Чернявских С.Д.

Данный процесс достаточно стереотипен: к белку присоединяется один и тот же крупный олигосахарид, состоящий из 14 остатков моносахаров (девяти – маннозы, трех – глюкозы и двух – N-ацетилгликозамина (GlcNAc)). Обра зование этих олигосахаридов первично происходит на специальных липидах – долихолах, встроенных в мембрану ЭР и представляющих собой длинно цепочечные полиизопренолы (n=14-24).



Pages:     | 1 || 3 | 4 |   ...   | 7 |
 





 
© 2013 www.libed.ru - «Бесплатная библиотека научно-практических конференций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.