В секреторных клетках поджелудочной железы пищеварительные ферменты (в частности, трипсиноген) синтезируются в эргастоплазме. Они появляются там между цистернами как мелкие просекреторные гранулы, не одетые мембраной. Затем они (возможно, в вакуолях Гольджи) попадают в аппарат Гольджи и сливаются там в очень крупные (0,5–1,5 мкм) секреторные пузырьки (зимогеновые гранулы). Последние при определенной стимуляции выбрасывают свое содержимое из клетки, а их мембраны сливаются друг с другом и с плазматической мембраной. Сходным образом вырабатываются и выделяются амилаза в слюнных железах, пептидные гормоны в гипофизе, коллаген в ряде тканей млекопитающих.
Аппарат Гольджи участвует также в образовании белков молока в молочных железах, желчи в печени, веществ хрусталика, зубной эмали и т. п.
Вопрос 22. Пузырьки, эндо– и эктоцитоз
1. Эндоцитоз
Пузырьки – это округлые или овальные образования с одиночной мембраной . Они либо имеют гладкую стенку, либо покрыты снаружи волокнистой оболочкой из белка клатрина (окаймленные пузырьки).
Эндоцитоз – это образование пузырьков путем выпячивания плазматической мембраны при поглощении твердых частиц (фагоцитоз) или растворенных веществ (пиноцитоз). Возникающие при этом гладкие или окаймленные эндоцитозные пузырьки называют также фагосомами или пиносомами. Путем эндоцитоза осуществляются, во-первых , питание (яйцеклетки поглощают таким способом желточные белки, фагосомами являются пищеварительные вакуоли простейших), во-вторых, защитные и иммунные реакции (лейкоциты поглощают чужеродные частицы и иммуноглобулины), в-третьих, транспорт (почечные канальцы всасывают белки из первичной мочи). Избирательный эндоцитоз определенных веществ (желточных белков, иммуноглобулинов и т. п.) происходит при контакте этих веществ с субстрат-специфическими рецепторными участками на плазматической мембране.
Материалы, попадающие в клетку путем эндоцитоза , расщепляются ("перевариваются"), накапливаются (например, желточные белки) или снова выводятся с противоположной стороны клетки путем экзоцитоза.
2.
Экзоцитоз
Экзоцитоз – процесс, противоположный эндоцитозу: различные пузырьки (например, из эндоплазматического ретикулума, аппарата Гольджи, эндоцитозные пузырьки, лизосомы) сливаются с плазматической мембраной, освобождая свое содержимое наружу. При этом мембрана пузырька может либо встраиваться в плазматическую мембрану, либо в форме пузырька возвращаться в цитоплазму. У растений экзоцитоз широко распространен; в отдельных случаях был обнаружен фагоцитоз, а пиноцитоз, по-видимому, не встречается.
Вопрос 23. Лизосомы
1.
Характеристика лизосом
Лизосомы осуществляют внутриклеточное переваривание. Это пузырьки величиной до 2 мкм, бесструктурные или содержащие полупереваренный материал. Их главный наиболее характерный фермент – кислая фосфатаза, но, кроме того, в них имеется свыше 30 ферментов, осуществляющих гидролитическое расщепление белков, нуклеиновых кислот, углеводов и липидов.
2.
Гетерофагия
Гетерофагия – это расщепление чужеродного и поглощенного путем эндоцитоза материала в гетеролизосомах (фаголизосомах), а аутофагия – расщепление в аутосомах (цитолизосомах) собственных материалов, например, запасных веществ, а также макромолекул или органелл, утративших функциональную активность. Аутолиз – самопереваривание клеток после разрушения мембран лизосом, вызванного патологическими изменениями или старением.
3.
Активность лизосом
Первичные лизосомы еще неактивны, они не содержат перевариваемого субстрата. Это чаще всего мелкие, гладкостенные, реже – окаймленные пузырьки. Они отшнуровываются от цистерн Гольджи. Ферменты образуются в гранулярном ЭР и собираются чаще всего в цистернах Гольджи. Вторичные лизосомы обладают гидролитической активностью.
Они образуются различными способами из первичных лизосом после поглощения субстрата:
• первичные лизосомы могут активно поглощать
макромолекулы из окружающей цитоплазмы (аутофагия);
• первичные лизосомы могут сливаться с эндоцитозными пузырьками (гетерофагия). Возможно повторение этого процесса – слияние вторичных лизосом с новыми эндоцитозными пузырьками, доставляющими субстрат, и с новыми первичными лизосомами, добавляющими свои ферменты;
• множество мелких лизосом могут сливаться в одну большую первичную лизосому, которая целиком захватывает клеточные органеллы или эндоцитозные пузырьки, прежде всего – пиносомы (аутофагия или гетерофагия). Вторичные лизосомы с большим числом видимых поглощенных пузырьков называют мультивезикулярными тельцами.
4.
Вторичные лизосомы
Остаточные тельца – это вторичные лизосомы, закончившие процесс переваривания. В них почти или совсем нет ферментов; они содержат лишь непереваренные остатки, т. е. негидролизуемый материал, например жирные кислоты. Остаточные тельца либо накапливаются, либо растворяются и смешиваются с цитоплазмой, либо выводятся путем экзоцитоза.
В растительных клетках широко распространены "нормальные" лизосомы (аутофагия). Кроме того, функции лизосом выполняет центральная вакуоль, содержащая кислую фосфатазу и другие лизосомные ферменты и поглощающая клеточные органеллы. Во время прорастания белковые вакуоли также играют роль лизосом.
Вопрос 24. Микротельца
1.
Их характеристика
Микротельца – это короткоживущие гладкостенные пузырьки величиной 0,1–1,5 мкм с относительно проницаемой мембраной, тонкозернистым матриксом (главный компонент – белок) и иногда с кристаллоидами белка или аморфными включениями. Их основной фермент – каталаза – встречается, по-видимому, только в микротельцах.
Микротельца образуются из расширенных и заполненных ферментом цистерн ЭР, которые отделяются от ЭР или, возможно, сохраняют с ним связь. Наиболее известны пероксисомы и гилоксисомы.
2.
Пероксисомы
Пероксисомы содержат оксидазы , образующие Н2О2; окисляемым веществом (RH2) может быть, например, мочевая кислота (в перокисомах печени) или гликолевая кислота (в пероксисомах листьев). Образующаяся Н2О2 расщепляется по каталазному или пероксидазному типу; в последнем случае окисляемым веществом может быть, например, этанол или метанол (в печени). Эти реакции используются в различных метаболических процессах, например при фотодыхании (в листьях) и при расщеплении мочевой кислоты и других пуринов в печени и почках.
3.
Гилоксисомы
Гилоксисомы – специализированные периксисомы с малатсинтазой в качестве главного фермента. Они расщепляют (как и митохондрии) жирные кислоты до ацетил-СоА, превращая последний (специфическим для гилоксисом способом) в так называемом цикле гилоксисоновой кислоты в сукцинат, который вне гилоксисом может использоваться для синтеза углеводов. Таким образом, они участвуют в образовании углеводов из жиров, ацетата или этанола (глюконеогенез). Гилоксисомы встречаются в жиронакопляющих тканях растений, а также у водорослей, грибов и некоторых простейших.
Вопрос 25. Вакуоли. Параплазматические (эргастические) включения
1.
Сократительные вакуоли
Вакуолями называют крупные пузырьки с преимущественно водным содержимым. Они образуются из пузыревидных расширений ЭР или из пузырьков Гольджи.
Сократительные ( пульсирующие) вакуоли служат для осмотической регуляции (прежде всего – у пресноводных простейших), так как в их клетки путем осмоса непрерывно проникает вода из окружающего гипотонического раствора. Эту воду, а также воду, поглощенную путем пиноцитоза, вакуоли осмотически всасывают и затем выводят наружу, периодически сокращаясь с помощью пучков эластических волокон, имеющихся в их мембране. У сложных форм происходят волнообразные сокращения центрального резервуара с выделительной порой, ведущей наружу, и лучеобразно расположенных радиальных каналов.
В эмбриональных клетках растений возникает много небольших вакуолей из пузыревидных расширений ЭР. Увеличиваясь, они сливаются в центральную вакуоль, которая занимает большую часть объема клетки и может быть пронизана тяжами протоплазмы; такая вакуоль лишь редко отсутствует, например во многих железистых клетках. Окружающая ее мембрана – тонопласт – имеет толщину мембраны ЭР (6 нм) в отличие от более толстой, более плотной и менее проницаемой плазмолеммы. Содержимое вакуоли – клеточный сок.
2.
Центральные вакуоли, их цель
Центральная вакуоль служит различным целям:
• как накопительное пространство – для обособления растворимых промежуточных продуктов обмена, например, глюкозы, фруктозы, яблочной и лимонной кислот и аминокислот;
• как место для экскретов – для обособления конечных продуктов обмена, например, некоторых пигментов (красные, фиолетовые и синие антоцианы, желтые флавоны и флавонолы) или токсичных полифенолов, алкалоидов и других вторичных веществ;
• как осмотическое пространство, вакуоль играет главную роль в поглощении воды растительными клетками и в создании осмотически обусловленного тургорного давления, которое растягивает упругую клеточную стену и таким образом придает жесткость неодеревеневшим частям растения;
• как лизосомное пространство для аутофагии, в которое уже при самом образовании вакуолей поступают лизосомные ферменты из пузырьков Гольджи.
3.
Вакуоли в тканях растений
В запасающих тканях растений вместо одной центральной вакуоли часто бывает несколько вакуолей, например, жировые вакуоли с жировой эмульсией или белковые (алейроновые) вакуоли с коллоидными или кристаллоидными белками и часто глобоидами фитина (кальциево-магниевая соль эфира гексафосфорной кислоты и миоинозитола – форма накопления фосфата). Такие вакуоли называются накопительными.
Запасные белки образуются в гранулярном ЭР и через гладкий ЭР попадают в расширенные цистерны, которые становятся белковыми вакуолями. При необходимости расщепления накопленного белка белковые вакуоли превращаются в лизосомы.
4.
Параплазматические (эргастические) включения
Параплазматические (эргастические) включения – это общее название для разнородных протоплазматических включений с пограничной мембраной или без нее, состоящих из запасных веществ, экскретов или конечных продуктов метаболизма. Некоторые из них широко распространены, другие (например, пигментные гранулы или гранулы зернистых лейкоцитов) встречаются только в клетках определенного типа.
Вопрос 26. Структура и функции митохондрий
1.
Характеристика и функции митохондрий
Митохондрии и пластиды представляют собой органеллы эукариотических клеток, сходные по своим функциям, морфологии и, вероятно, происхождению. Они обладают сильно развитой системой внутренних мембран, которая образуется из их оболочки и служит для интенсивного преобразования энергии.
Структура и функции митохондрий. Митохондрии снабжают клетку энергией , которую они накапливают в форме АТФ в результате окисления органических веществ (дыхание); они осуществляют окисление жирных кислот и аминокислот, цикл лимонной кислоты, реакции цепи дыхания и окислительное фосфорилирование. К побочным функциям митохондрий относится биосинтетические процессы, в частности, синтез аминокислот (глутаминовой кислоты, цитруллина) или стероидных гормонов, а также активное накопление ионов. В клетке имеется 150-1500 митохондрий у крупных простейших – до 500000. Они отсутствуют у ряда паразитических простейших, получающих энергию неокислительным путем с помощью брожения, и в некоторых специализированных клетках, в частности в зрелых эритроцитах млекопитающих. У прокариот окислительное высвобождение энергии происходит в плазматической мембране и ее выпячиваниях, или тилакоидах.
2.
Форма митохондрий
Форма митохондрий в большинстве случаев округлая или палочковидная, реже – нитевидная. Оболочка митохондрий состоит из двух мембран толщиной чаще всего 7-10 нм. Между ними находится перимитохондриальное пространство, а внутри митохондрии располагается матрикс. Внутренняя мембрана образует многочисленные выпячивания; в большинстве случаев это листовидные кристы, у многих простейших и в некоторых клетках млекопитающих (например, в клетках, продуцирующих стероидные гормоны) – трубочки (тубулы), а у растений – часто кармановидные мешочки, которые, однако, могут быть артефактом, возникшим при фиксации крист.
3.
Наружная мембрана
Наружная мембрана (как и другие мембраны эукариотических клеток), в отличие от внутренней мембраны, содержит значительное количество холестерола, а из фосфолипидов – фосфатидиэтаноламин, много лецитина и фосфатидилинозитол, но не содержит кардиолипина. Наружная мембрана проницаема для неорганических ионов и относительно крупных молекул (с молекулярной массой менее 10000), в частности, аминокислот, АТФ, сахарозы, промежуточных продуктов дыхания. Столь высокую проницаемость можно объяснить наличием туннельных белков с широкими порами. В наружной мембране находятся ферменты обмена фосфолипидов и активации жирных кислот, а также моноаминоксидаза.
4.
Внутренняя мембрана
Внутренняя мембрана с кристами очень богата белком. Она содержит очень мало холестерола; из фосфолипидов здесь имеются фосфатидиэтаноламин, большие количества лецитина и кардиолипин, но почти нет фосфатидилинозитола. Таким образом, эта мембрана по своему составу сходна с бактериальной мембраной. Кардиолипин встречается только у прокариот – в митохондриях и пластидах.
Проницаемость внутренней мембраны очень мала, через нее могут диффундировать только небольшие молекулы (с молекулярной массой менее 100). Поэтому в ней имеются транспортные белки для активного (осуществляемого с затратой энергии) транспорта таких веществ, как глюкоза, промежуточные продукты дыхания (пируват, метаболиты цикла лимонной кислоты), аминокислоты, АТФ и АДФ, фосфаты, Ca2+.
В качестве интегральных белков во внутренней мембране и кристах находятся комплексы ферментов, участвующих в транспорте электронов (дыхательная цепь). Периферические мембранные белки – различные дегидрогеназы – окисляют субстраты дыхания, находящиеся в матриксе, и передают отнятый водород в дыхательную цепь.
Со стороны матрикса на внутренней мембране и кристах с помощью электронного микроскопа можно видеть грибовидные мембранные АТФазы ("элементарные частицы").
Матрикс содержит промежуточные продукты обмена и некоторые ферменты цикла лимонной кислоты и окисления жирных кислот. Остальные ферменты, участвующие в этих процессах, являются периферическими белками внутренней мембраны, так что эти процессы осуществляются вблизи мембраны. В центральной области матрикса происходит, например, карбоксилирование или декарбоксилирование пирувата в процессе дыхания; здесь протекает также большинство митохондриальных биосинтезов.
Вопрос 27. Генетическая система митохондрий
1.
Состав матрикса
Митохондрии содержат в своем матриксе ДНК, РНК (tРНК, rРНК1, rРНК2, mРНК, но не 5S– и 5,8S-РНК) и рибосомы (70S у растений) и способны к репликации ДНК, транскрипции и биосинтезу белка. ДНК свободна от гистонов и негистоновых хромосомных белков и, судя по данным исследований некоторых простейших, представляет собой двухцепочечную кольцевую молекулу. Митохондриальные гены, как и хромосомные, содержат интроны. В каждой митохондрии имеются 2–6 идентичных копий молекулы ДНК длиной 10–25 мкм у растений. В митохондриальной ДНК закодированы митохондриальные rРНК и tРНК (с иной первичной структурой, чем у цитоплазматических РНК) и некоторые белки внутренней мембраны (цитохром В, три из семи субъединиц цитохромоксидазы, некоторые полипептиды комплекса F0). Большинство митохондриальных белков кодируется в хромосомах и синтезируются на цитоплазматических рибосомах.
2.
Размножение митохондрий
Митохондрии живут только несколько дней . Они размножаются поперечным делением, но могут также развиваться из промитохондрий. Последние представляют собой очень мелкие пузырьки с плотным матриксом и двумя мембранами. В процессе их развития в результате выпячивания внутренней мембраны образуются кристы. Новые промитохондрии возникают путем деления промитохондрий и путем отпочкования от зрелых митохондрий.
Митохондриальная информация полностью сохраняется и при половом размножении. Яйцеклетки передают потомкам митохондрии или промитохондрии. При образовании спермиев у животных большое число митохондрий сливается в нити. У млекопитающих четыре такие нити закручены спирально в средней части сперматозоида.
Вопрос 28. Пластиды. Структура и функции хлоропластов
1.
Хлоропласты
Эмбриональные клетки содержат бесцветные пропластиды . В зависимости от типа ткани они развиваются в зеленые хлоропласты или в производные от них и филогенетически более поздние формы пластид – в желтые или красные хромопласты или в бесцветные лейкопласты.
Функция хлоропластов – фотосинтез, т. е. преобразование энергии света в химическую энергию органических веществ, прежде всего углеводов, которые эти пластиды синтезируют из бедных энергией веществ – из СО2 и Н2О.
Хлоропласты имеются в клетках высших растений, находящихся на свету, – в листьях, около поверхности стебля и в молодых плодах (реже в эпидермисе и в венчике цветка). Эти клетки бывают зелеными, если зеленый цвет не маскируется другими пигментами хлоропластов (у красных и бурых водорослей) или клеточного сока (у лесного бука). Пигмент хлоропластов поглощает свет для осуществления фотосинтеза. Это в основном хлорофилл. У высших растений и зеленых водорослей 70 % пигмента приходится на хлорофилл А (сине-зеленый), а 30 % – на хлорофилл В (желто-зеленый; хлорофилл С, D и E встречается у других групп водорослей. Кроме того, все хлоропласты содержат каротиноиды: оранжево-красные каротины (углеводороды) и желтые (реже красные) ксантофиллы (окисленные каротины). У красных и синезеленых водорослей встречаются также фикобилипротеиды: голубой фикоцианин и красный фикоэритрин. У бурых водорослей хлоропласты окрашены в коричневый цвет благодаря ксантофиллу фикоксантину (феопласты), а у красных водорослей – в красный благодаря фикоэритрину и фикоцианину (родопласты).
Клетки водорослей содержат один или несколько хлоропластов различной формы. В клетках высших растений, как и у некоторых водорослей, имеется около 10-200 чечевицеобразных хлоропластов величиной всего лишь 3-10 мкм. Оболочка хлоропласта, состоящая из двух мембран, окружает бесцветную строму, которая пронизана множеством плоских замкнутых мембранных карманов (цистерн) – тилакоидов, окрашенных в зеленый цвет.
2.
Прокариоты