Функции плазматической сети. Эндоплазматическая сеть (ЭПС)

Главная

Бунин

Схематическое представление клеточного ядра, эндоплазматического ретикулума и комплекса Гольджи.
(1) Ядро клетки.
(2) Поры ядерной мембраны.
(3) Гранулярный эндоплазматический ретикулум.
(4) Агранулярный эндоплазматический ретикулум.
(5) Рибосомы на поверхности гранулярного эндоплазматического ретикулума.
(6) Макромолекулы
(7) Транспортные везикулы.
(8) Комплекс Гольджи.
(9) Цис-Гольджи
(10) Транс-Гольджи
(11) Цистерны Гольджи

История открытия

Впервые эндоплазматический ретикулум был обнаружен американским учёным К. Портером в 1945 году посредством электронной микроскопии .

Строение

Эндоплазматический ретикулум состоит из разветвлённой сети трубочек и карманов, окружённых мембраной. Площадь мембран эндоплазматического ретикулума составляет более половины общей площади всех мембран клетки.

Мембрана ЭПР морфологически идентична оболочке клеточного ядра и составляет с ней одно целое. Таким образом, полости эндоплазматического ретикулума открываются в межмембранную полость ядерной оболочки. Мембраны ЭПС обеспечивают активный транспорт ряда элементов против градиента концентрации . Нити, образующие эндоплазматический ретикулум, имеют в поперечнике 0,05-0,1 мкм (иногда до 0,3 мкм), толщина двухслойных мембран, образующих стенку канальцев, составляет около 50 ангстрем (5 нм , 0,005 мкм). Эти структуры содержат ненасыщенные фосфолипиды , а также некоторое количество холестерина и сфинголипидов . В их состав также входят белки.

Трубочки, диаметр которых колеблется в пределах 0,1-0,3 мкм, заполнены гомогенным содержимым. Их функция - осуществление коммуникации между содержимым пузырьков ЭПС, внешней средой и ядром клетки .

Эндоплазматический ретикулум не является стабильной структурой и подвержен частым изменениям.

Выделяют два вида ЭПР:

гранулярный (шероховатый) эндоплазматический ретикулум;
агранулярный (гладкий) эндоплазматический ретикулум.

На поверхности гранулярного эндоплазматического ретикулума находится большое количество рибосом , которые отсутствуют на поверхности агранулярного ЭПР.

Гранулярный и агранулярный эндоплазматический ретикулум выполняют различные функции в клетке.

Функции эндоплазматической сети

При участии эндоплазматического ретикулума происходит трансляция и транспорт белков, синтез и транспорт липидов и стероидов . Для ЭПР характерно также накопление продуктов синтеза. Эндоплазматический ретикулум принимает участие в том числе и в создании новой ядерной оболочки (например после митоза). Эндоплазматический ретикулум содержит внутриклеточный запас кальция , который является, в частности, медиатором сокращения мышечной клетки . В клетках мышечных волокон расположена особая форма эндоплазматического ретикулума - саркоплазматическая сеть .

Функции агранулярного эндоплазматического ретикулума

Агранулярный эндоплазматический ретикулум участвует во многих процессах метаболизма . Также агранулярный эндоплазматический ретикулум играет важную роль в углеводном обмене, нейтрализации ядов и запасании кальция. Ферменты агранулярного эндоплазматического ретикулума участвуют в синтезе различных липидов и фосфолипидов , жирных кислот и стероидов. В частности, в связи с этим в клетках надпочечников и печени преобладает агранулярный эндоплазматический ретикулум.

Синтез гормонов

К гормонам, которые образуются в агранулярной ЭПС, принадлежат, например, половые гормоны позвоночных животных и стероидные гормоны надпочечников. Клетки яичек и яичников, ответственные за синтез гормонов, содержат большое количество агранулярного эндоплазматического ретикулума.

Накопление и преобразование углеводов

Углеводы в организме накапливаются в печени в виде гликогена . Посредством гликогенолиза гликоген в печени трансформируется в глюкозу , что является важнейшим процессом в поддержании уровня глюкозы в крови. Один из ферментов агранулярного ЭПР отщепляет от первого продукта гликогенолиза, глюкоза-6-фосфата, фосфогруппу, позволяя таким образом глюкозе покинуть клетку и повысить уровень сахаров в крови.

Нейтрализация ядов

Гладкий эндоплазматический ретикулум клеток печени принимает активное участие в нейтрализации всевозможных ядов. Ферменты гладкого ЭПР присоединяют к молекулам токсичных веществ гидрофильные радикалы, в результате чего повышается растворимость токсичных веществ в крови и моче, и они быстрее выводятся из организма. В случае непрерывного поступления ядов, медикаментов или алкоголя образуется большее количество агранулярного ЭПР, что повышает дозу действующего вещества, необходимую для достижения прежнего эффекта.

Роль ЭПС как депо кальция

Концентрация ионов кальция в ЭПС может достигать 10 −3 моль , в то время как в цитозоле составляет порядка 10 −7 моль (в состоянии покоя). Под действием инозитолтрифосфата и некоторых других стимулов кальций высвобождается из ЭПС путём облегченной диффузии. Возврат кальция в ЭПС обеспечивается активным транспортом . При этом мембрана ЭПС обеспечивает активный перенос ионов кальция против градиентов концентрации больших порядков. И приём, и освобождение ионов кальция в ЭПС находится в тонкой взаимосвязи с физиологическими условиями.

Концентрация ионов кальция в цитозоле влияет на множество внутриклеточных и межклеточных процессов, таких как активация или инактивация ферментов, экспрессия генов, синаптическая пластичность нейронов, сокращения мышечных клеток, освобождение антител из клеток иммунной системы.

Саркоплазматический ретикулум

Особую форму агранулярного эндоплазматического ретикулума, саркоплазматический ретикулум, представляет собой ЭПС в мышечных клетках, в которых ионы кальция активно закачиваются из

Строение эндоплазматической сети

Определение 1

Эндоплазматическая сеть (ЭПС, эндоплазматический ретикулум) – сложная ультрамикроскопическая, очень разветвлённая, взаимосвязанная система мембран, которая более или менее равномерно пронизывает массу цитоплазмы всех эукариотических клеток.

ЭПС – мембранная органелла, состоящая из плоских мембранных мешочков – цистерн, каналов и трубочек. Благодаря такому строению эндоплазматическая сеть значительно увеличивает площадь внутренней поверхности клетки и делит клетку на секции. Внутри она заполнена матриксом (умеренно плотный рыхлый материал (продукт синтеза)). Содержание различных химических веществ в секциях неодинаково, потому в клетке как одновременно, так и в определённой последовательности могут происходить различные химические реакции в незначительном объёме клетки. Эндоплазматическая сеть открывается в перинуклеарное пространство (полость между двумя мембранами кариолемы).

Мембрана эндоплазматической сети состоит из белков и липидов (в основном фосфолипидов), а так же ферментов: аденозинтрифосфатазы и ферментов синтеза мембранных липидов.

Различают два вида эндоплазматической сети:

Гладкую (агранулярную, аЭС), представленную трубочками, которые анастамозируют между собой и не имеют на поверхности рибосом;
Шероховатую (гранулярную, грЭС), состоящую так же из соединённых между собой цистерн, но они покрыты рибосомами.

Замечание 1

Иногда выделяют ещё переходящую, или транзиторную (тЭС) эндоплазматическую сеть, которая находится в участке перехода одной разновидности ЭС в другую.

Гранулярная ЭС свойственна всем клеткам (кроме сперматозоидов), но степень её развития разная и зависит от специализации клетки.

Сильно развита грЭС эпителиальных железистых клеток (поджелудочной железы, вырабатывающих пищеварительные ферменты, печени – синтезирующих альбумины сыворотки крови), фибробластов (клеток соединительной ткани, продуцирующих белок коллаген), плазматических клеток (продуцирование иммуноглобулинов).

Агранулярная ЭС преобладает в клетках надпочечников (синтез стероидных гормонов), в клетках мышц (обмен кальция), в клетках фундальных желез желудка (выделение ионов хлора).

Другим видом мембран ЭПС являются разветвлённые мембранные трубочки, содержащие внутри большое количество специфических ферментов, и везикулы – маленькие, окружённые мембраной пузырьки, в основном находящиеся рядом с трубочками и цистернами. Они обеспечивают перенесение тех веществ, которые синтезируются.

Функции ЭПС

Эндоплазматическая сеть – это аппарат синтеза и, частично, транспорта веществ цитоплазмы, благодаря которому клетка выполняет сложные функции.

Замечание 2

Функции обоих типов ЭПС связаны с синтезом и транспортом веществ. Эндоплазматическая сеть является универсальной транспортной системой.

Гладкая и шероховатая эндоплазматические сети своими мембранами и содержимым (матриксом) выполняют общие функции:

разделительную (структурирующую), благодаря чему цитоплазма упорядоченно распределяется и не смешивается, а так же предотвращает попадание в органеллу случайных веществ;
трансмембранное транспорт, благодаря которому осуществляется перенесение сквозь стенку мембраны необходимых веществ;
синтез липидов мембраны с участием ферментов, содержащихся в самой мембране и обеспечивающих репродукцию эндоплазматической сети;
благодаря разнице потенциалов, возникающая между двумя поверхностями мембран ЭС возможно обеспечение проведения импульсов возбуждения.

Кроме того, каждой из разновидностей сети свойственны свои специфические функции.

Функции гладкой (агранулярной) эндоплазматической сети

Агранулярная эндоплазматическая сеть, кроме названных функций, общих для обоих видов ЭС, выполняет ещё и свойственные только для неё функции:

депо кальция . Во многих клетках (в скелетных мышцах, в сердце, яйцеклетках, нейронах) существуют механизмы, способные изменять концентрацию ионов кальция. Поперечнополосатая мышечная ткань содержит специализированную эндоплазматическую сеть, называемую саркоплазматическим ретикулумом. Это резервуар кальций-ионов, а мембраны этой сети содержат мощные кальциевые помпы, способные выбрасывать в цитоплазму большое количество кальция или транспортировать его в полости каналов сети за сотые доли секунды;
синтез липидов , веществ типа холестерина и стероидных гормонов. Стероидные гормоны синтезируются в основном в эндокринных клетках половых желез и надпочечников, в клетках почек и печени. Клетки кишечника синтезируют липиды, которые выводятся в лимфу, а потом в кровь;

детоксикационная функция – обезвреживание єкзогенных и эндогенных токсинов;

Пример 1

В почечных клетках (гепатоцитах) содержатся ферменты оксидазы, способные разрушать фенобарбитал.

ферменты органеллы берут участие в синтезе гликогена (в клетках печени).

Функции шероховатой (гранулярной) эндоплазматической сети

Для гранулярной эндоплазматической сети, кроме перечисленных общих функций, свойственны ещё и специальные:

синтез белков на грЭС имеет некоторые особенности. Начинается он на свободных полисомах, которые в дальнейшем связываются с мебранами ЭС.
Гранулярная эндоплазматическая сеть синтезирует: все белки клеточной мембраны (кроме некоторых гидрофобных белков, белков внутренних мембран митохондрий и хлоропластов), специфические белки внутренней фазы мембранных органелл, а так же секреторные белки, которые транспортируются по клетке и поступают во внеклеточное пространство.
пострансляционная модификация белков : гидроксилирование, сульфатирование, фосфориллирование. Важным процессом является гликозилирование, которое происходит под действием связанного с мембраной фермента гликозилтранферазы. Гликозилирование происходит перед секрецией или транспортом веществ к некоторым участкам клетки (комплексу Гольджи, лизосомам или плазмолемме).
транспорт веществ по внутримембранной части сети. Синтезированные белки по промежуткам ЭС перемещаются к комплексу Гольджи, который выводит вещества из клетки.
благодаря участию гранулярной эндоплазматической сети образуется комплекс Гольджи.

Функции зернистой эндоплазматической сети связаны с транспортом белков, которые синтезируются в рибосомах и расположены на её поверхности. Синтезированные белки поступают внутрь ЭПС, скручиваются и приобретают третичную структуру.

Белок, который транспортируется к цистернам, значительно изменяется на своём пути. Он может, например, фосфорилироваться или превращаться в гликопротеид. Обычный путь для белка – это путь через зернистую ЭПС в аппарат Гольджи, откуда он или выходит наружу клетки, или поступает к другим органеллам той же клетки, например, к лизосомам), или откладывается в виде запасных гранул.

В клетках печени как зернистая, так и незернистая эндоплазматическая сетка берут участие в процессах детоксикации ядовитых веществ, которые потом выводятся из клетки.

Как и внешняя плазматическая мембрана, эндоплазматическая сетка имеет избирательную проницаемость, вследствие чего концентрация веществ внутри и снаружи каналов сетки неодинакова. Это имеет значение для функции клетки.

Пример 2

В эндоплазматической сетке мышечных клеток больше ионов кальция, чем в её цитоплазме. Выходя из каналов эндоплазматической сетки, ионы кальция запускают процесс сокращения мышечных волокон.

Образование эндоплазматической сети

Липидные компоненты мембран эндоплазматической сети синтезируются ферментами самой сети, белковый – поступает из рибосом, расположенных на её мембранах. В гладкой (агранулярной) эндоплазматической сети нет собственных факторов синтеза белка, потому считается, что эта органелла образуется в результате потери рибосом гранулярной эндоплазматической сетью.

Эндоплазматическая сеть (ЭПС) , или эндоплазматический ретикулум(ЭР), представляет собой систему, состоящую из мембранных цистерн, каналов и пузырьков. Около половины всех клеточных мембран приходится на ЭР.

Морфофункционально ЭПС дифференцирована на 3 отдела: шероховатая (гранулярная), гладкая (агранулярная) и промежуточная. На гранулярной ЭПС находятся рибосомы (PC), гладкая и промежуточная лишены их. Гранулярный ЭР в основном представлен цистернами, а гладкий и промежуточный - в основном каналами. Мембраны цистерн, каналов и пузырьков могут переходить друг в друга. ЭР содержит полужидкий матрикс, характеризующийся особым химическим составом.

Функции ЭР:

компартментализации;
синтетическая;
транспортная;
детоксикации;
регуляция концентрации ионов кальция.

Функция компартментализации связана с делением клетки на отсеки (компартменты) с помощью мембран ЭР. Подобное деление позволяет изолировать часть содержимого цитоплазмы от гиалоплазмы и дает возможность клетке разобщить и локализовать определенные процессы, а также заставить протекать их более эффективно и направленно.

Синтетическая функция. На гладкой ЭР синтезируются практически все липиды, за исключением двух митохондриальных липидов, синтез которых происходит в самих митохондриях. На мембранах гладкого ЭР синтезируется холестерол (у человека в сутки до 1 г, в основном в печени; при поражении печени количество холестерола в крови падает, изменяется форма и функции эритроцитов и развивается анемия).
На шероховатом ЭР происходит синтез белков:

внутренней фазы ЭР, комплекса Гольджи, лизосом, митохондрий;
секреторных белков, например гормонов, иммуноглобулинов;
мембранных белков.

Синтез белков начинается на свободных рибосомах в цитозоле. После химических преобразований белки упаковываются в мембранные пузырьки, которые отщепляется от ЭР и транспортируются в другие районы клетки, например, в комплекс Гольджи.
Синтезированные на ЭР белки условно можно подразделить на два потока:

интернальные, которые остаются в ЭР;
экстернальные, которые не остаются в ЭР.

Интернальные белки, в свою очередь, также можно разделить на два потока:

резидентные, не уходящие из ЭР;
транзитные, покидающие ЭР.

В ЭР происходит детоксикация вредных веществ , попавших в клетку или образовавшихся в самой клетке. Большинство вредных веществ являются
гидрофобными веществами, которые поэтому не могут выводиться из организма с мочой. В мембранах ЭР есть белок цитохром-Р450, который превращает гидрофобные вещества в гидрофильные, и после этого они удаляются с мочой из организма.

Это система каналов и полостей, стенки которых состоят из одного слоя мембраны. Строение мембраны аналогично плазмалемме (жидкостно-мозаичное), однако входящие сюда липиды и белки несколько отличаются по химической организации. Различают два типа ЭПС: шероховатую (гранулярная) и гладкую (агранулярная).

ЭПС обладает несколькими функциями.

Транспортная.
Мембранообразующая.
Синтезирует белок, жиры, углеводы и стероидные гормоны.
Обезвреживает токсические вещества.
Депонирует кальций.

На внешней поверхности мембраны шероховатой ЭПС происходит синтез белка.

2. На мембране гладкой ЭПС располагаются ферменты которые синтезируют жиры, углеводы и стероидные гормоны.

3. На мембране гладкой ЭПС располагаются ферменты, которые обезвреживают токсические чужеродные вещества попавшие в клетку.

Шероховатая содержит на внешней стороне матрикса мембраны большое число рибосом, которые участвуют в синтезе белка. Синтезированный на рибосоме белок через специальный канал попадает в полость ЭПС (рис. 7) и оттуда разносится в различные части цитоплазмы (в основном он попадает в комплекс Гольджи). Это характерно для белков, идущих на экспорт . Например, для пищеварительных ферментов, синтезируемых в клетках поджелудочной железы.

Рибосома иРНК

Рис. 7. Эндоплазматическая сеть:

А – фрагменты гладкой ЭПС; Б – фрагменты шероховатой ЭПС. В – функционирующая рибосома на шероховатой ЭПС.

В мембране гладкой ЭПС имеется набор ферментов, синтезирующих жиры и простые углеводы, а также стероидные гормоны, необходимые для организма. Особо следует отметить, что в мембране гладкой ЭПС клеток печени располагается система ферментов, осуществляющих расщепление чужеродных веществ (ксенобиотиков), попавших в клетку, в том числе и лекарственных соединений. Система состоит из разнообразных белков-ферментов (окислителей, восстановителей, ацетиляторов и др.).

Ксенобиотик или лекарственное вещество (ЛВ), взаимодействуя последовательно с определёнными ферментами, изменяет свою химическую структуру. В результате конечный продукт может сохранить свою специфическую активность, может стать неактивным или, наоборот, приобрести новое свойство – стать токсичным для организма. Система ферментов, расположенная в ЭПС и осуществляющая химическое преобразование ксенобиотиков (или ЛВ), носит название система биотрансформации. В настоящее время этой системе придают большое значение, т.к. от интенсивности её работы и количественного содержания в ней тех или иных ферментов зависит специфическая активность ЛВ (бактерицидность и т.п.) в организме и их токсичность.

Изучая содержание в крови противотуберкулёзного вещества изониазида, исследователи столкнулись с неожиданным явлением. При приёме одинаковой дозы препарата его концентрация в плазме крови у разных индивидуумов оказалась неодинаковой. Выяснилось, что у людей с интенсивным процессом биотрансформации изониазид быстро ацетилируется, превращаясь в другое соединение. Поэтому его содержание в крови становится значительно меньше, чем у индивидуумов с низкой интенсивностью ацетилирования. Логично сделать вывод, что пациентам с быстрым ацетилированием, для эффективного лечения, необходимо назначать более высокие дозы препарата. Однако возникает другая опасность, при ацетилировании изониазида образуются токсичные для печени соединения. Поэтому повышение дозы изониазида у быстрых ацетиляторов может обернуться поражением печени. Вот такие парадоксы постоянно встречаются на пути фармакологов при изучении механизма действия препаратов и систем биотрансформации. Поэтому один из важных вопросов, которые должен решить фармаколог – рекомендовать для внедрения в практику такое ЛВ, которое не подвергалось бы быстрому инактивированию в системе биотрансформации и, тем более, не превращалось бы в токсическое для организма соединение. Известно, что из рекомендованных в настоящее время Фармкомитетом ЛВ практически все подвергаются процессам биотрансформации. Однако ни одно из них полностью не теряет своей специфической активности и не наносит существенного вреда организму. Такие вещества, как атропин, левомицетин, преднизолон, норадреналин и множество других полностью сохраняют свои свойства, но проходя через систему биотрансформации, становятся более растворимы в воде. Значит, они достаточно быстро будут выводиться из организма. Есть вещества, которые активируют систему биотрансформации, например, фенобарбитал. Так, в проводимых на мышах экспериментах выяснили, что при попадании в кровоток большого количества этого вещества в клетках печени поверхность гладкой ЭПС за несколько дней удваивается. Стимуляцию системы биотрансформации используют для нейтрализации токсических соединений в организме. Так, фенобарбитал используется при лечении гемолитической болезни новорождённых, когда стимуляция систем биотрансформации помогает организму справиться с избытком вредных веществ, например, билирубином. Кстати, после удаления вредного вещества избыток мембран гладкой ЭПС разрушается с помощью лизосом, и через 5 дней сеть приобретает нормальный объем.

Синтезированные в мембранах ЭПС вещества по каналам доставляются к различным органоидам или в места, где они необходимы (рис. 8). Транспортная роль ЭПС этим не ограничивается, в некоторых участках мембрана способна образовывать выпячивания, которые перешнуровываются и отрываются от мембраны, формируя пузырёк, в котором содержатся все ингредиенты канальца сети. Этот пузырёк способен перемещаться и опорожнять своё содержимое в самых различных местах клетки, в частности сливаться с комплексом Гольджи.

Шероховатая ЭПС Элементы цитоскелета

Рибосома

Митохондрии

Ядро Клетка

Рис. 8. Схематическое изображение внутренней части клетки (масштабы не соблюдены).

Необходимо отметить важную роль ЭПС в строительстве всех внутриклеточных мембран. Здесь начинается самый первый этап такого строительства.

Существенную роль играет ЭПС и в обмене ионов кальция. Этот ион имеет большое значение в регуляции клеточного метаболизма, изменяя проницаемость мембранных каналов, активируя различные соединения в цитоплазме и т.д. Гладкая ЭПС является депо ионов кальция. При необходимости кальций высвобождается и принимает участие в жизнедеятельности клетки. Эта функция более всего свойственна ЭПС мышц. Освобождение ионов кальция из ЭПС является звеном в сложном процессе сокращения мышцы.

Необходимо отметить тесную связь ЭПС с митохондриями - энергетическими станциями клетки. При заболеваниях, связанных с энергодифецитом, рибосомы отсоединяются от мембраны шероховатой ЭПС. Последствия не трудно предсказать – нарушается синтез белков на экспорт. А поскольку к таким белкам относятся пищеварительные ферменты, то при заболеваниях, связанных с энергодифецитом, будет нарушена работа пищеварительных желёз и, как следствие, пострадает одна из основных функций организма – пищеварительная. Исходя из этого, должна вырабатываться и фармакологическая тактика врача.

Комплекс Гольджи

В железах внутренней секреции, например, в поджелудочной железе, некоторые пузырьки, отделяясь от ЭПС, уплощаются, сливаются с другими пузырьками, накладываются друг на друга, как блины в стопке, образуя комплекс Гольджи (КГ). Состоит он из нескольких структурных элементов – цистерн, пузырьков и трубочек (рис. 9). Все эти элементы образованы однослойной мембраной жидкостно-мозаичного типа. В цистернах происходит «созревание» содержимого пузырьков. Последние отшнуровываются от комплекса и передвигаются в цитозоле по микротрубочкам, фибриллам и филаментам. Однако основной путь пузырьков – движение к плазматической мембране. Сливаясь с ней, пузырьки опорожняют своё содержимое с пищеварительными ферментами в межклеточное пространство (рис. 10). Из него ферменты попадают в проток и изливаются в кишечник. Процесс выведения при помощи пузырьков секрета КГ носит название экзоцитоз.

Рис. 9. Срез комплекса Гольджи: 1 – ядро; 2 – ядрышко; 3 – пузырьки, образующиеся в КГ; 4 – цистерны КГ; 5 – трубочка.

Мембрана

Рис. 10. Формирование цистерн КГ(г) из пузырьков:

1 – ядро; 2 – ядрышко; 3 – пузырьки, образующиеся в КТ; 4 – цистерны КГ; 5 – трубочка.

Следует отметить, что экзоцитоз в клетке часто совмещён с другим важным клеточным процессом – строительством или обновлением плазматической мембраны. Суть его в том, что пузырёк, состоящий из однослойной жидкостно-мозаичной мембраны, подойдя к мембране, разрывается, разрывая одновременно и мембрану. После выхода содержимого пузырька его края сливаются с краями бреши в мембране, и разрыв «затягивается». Другой путь характерен для пузырьков, из которых в дальнейшем формируются лизосомы. Эти пузырьки, перемещаясь по направляющим филаментам, распределяются по всей цитоплазме клетки.

Практически в КГ происходит перераспределение белков, синтезированных на рибосомах шероховатой ЭПС и доставленной по каналам ЭПС в КГ, часть из них идёт из КГ на экспорт, часть остаётся для нужд клетки (например, концентрируется в лизосомах). Процесс точного распределения белков имеет сложный механизм, и при его сбоях могут пострадать не только функции пищеварения, но и все функции, связанные с лизосомами. Некоторые авторы очень точно подметили, что КГ в клетке является «центральным железнодорожным вокзалом», где происходит перераспределение потока пассажиров-белков.

Некоторые микротрубочки слепо заканчиваются.

В КГ осуществляется модификация продуктов, поступающих из ЭПС:

1. Накопление поступающих продуктов.

2. Обезвоживание их.

3. Необходимая химическая перестройка (созревание).

Ранее мы отмечали, что в КГ происходит формирование пищеварительных секретов и лизосом. Кроме этих функций, в органоиде синтезируются полисахариды и одни из основных участников иммунных реакций в организме - иммуноглобулины.

И, наконец, КГ принимает активное участие в построении и обновлении плазматической мембран. Изливаясь через плазмалемму, пузырьки способны интегрировать в неё свою мембрану. Для строительства мембран используются вещества (рис. 11), синтезированные в ЭПС и "созревшие" на мембранах цистерн КГ.

Экзоцитоз и образование

Мембраны клетки из

Мембраны пузырька.

Ядро клетки

Комплекс Гольджи

Рис. 11 Схема формирования фрагмента плазматической мембраны из мембраны пузырька КГ (масштабы не соблюдены).

Функция КГ:

· транспортная (образовавшиеся пузырьки транспортируют ферменты наружу или для собственного использования),

· формирует лизосомы,

· образующая (в КГ образуются иммуноглобулины, сложные сахара, мукопротеиды и т.д.),

· строительная: а) мембрана пузырьков КГ может встраиваться в плазматическую мембрану; б) на строительство мембран клетки идут соединения, синтезированные в мембране цистерн,

· разделительную (делит клетку на отсеки).

Лизосомы

Лизосомы имеют вид небольших округлых пузырьков, встречаются во всех частях цитоплазмы, от которой отделены однослойной мембраной жидкостно-мозаичного типа. Внутреннее содержимое однородно и состоит из большого количества самых разнообразных веществ. Наиболее значимые из них – ферменты (около 40 - 60), расщепляют практически все природные полимерные органические соединения, попавшие внутрь лизосом. Внутри лизосом рН 4,5 - 5,0. При таких значениях ферменты находятся в активном состоянии. Если же рН близка к нейтральной, характерной для цитоплазмы, эти ферменты обладают низкой активностью. Это один из механизмов защиты клеток от самопереваривания в том случае, если ферменты попадают в цитоплазму, например, при разрыве лизосом. На внешней стороне мембраны имеется большое количество самых разнообразных рецепторов, которые способствуют соединению лизосом с эндоцитозными пузырьками. Следует отметить важное свойство лизосом – целенаправленное движение в сторону объекта действия. Когда происходит фагоцитоз, лизосомы двигаются в сторону фагосом. Отмечено их движение к разрушенным органоидам (например, митохондриям). Как мы писали ранее, направленное движение лизосом осуществляется с помощью микротрубочек. Разрушение микротрубочек приводит к прекращению образования фаголизосом. Фагоцит практически теряет способность переваривать болезнетворные микроорганизмы, находящиеся в крови (фагоцитоз). Это приводит к тяжёлому течению инфекционных заболеваний.

В определённых условиях мембрана лизосом способна пропускать внутрь высокомолекулярные органические вещества гиалоплазмы (например, белки, липиды, полисахариды) (рис. 12. (4,4а), где они расщепляются до элементарных органических соединений (аминокислоты, моносахара, жирные кислоты, глицерин). Затем эти соединения выходят из лизосом и идут на нужды клетки. В некоторых случаях лизосомы могут «захватить», а затем «переварить» осколки органоидов (рис. 12. (3,3а)) и повреждённые или устаревшие компоненты клетки (мембраны, включения). При голодании жизнедеятельность клеток поддерживается за счёт переваривания в лизосомах части цитоплазматических структур и использования конечных продуктов. Такое эндогенное питание характерно для многих многоклеточных.

Образующиеся в процессе эндоцитоза (фагоцитоз и пиноцитоз) эндоцитозные пузырьки – пиноцитозные пузырьки (рис. 12. (1,1а) и фагосомы (рис. 12. (2,2а)) – также сливаются с лизосомой, формируя фаголизосому. Их внутреннее содержимое – микроорганизмы, органические вещества и т.д. расщепляются ферментами лизосом до элементар-

Микроорганизмы

Растворённые

Органические 2 3

Вещества

Белки, жиры Лизосома Фрагменты

углеводы митохондрий

Рис. 12. Функции лизосом:

1, 1а – утилизация органических веществ гиалоплазмы; 2, 2а – утилизация содержимого пиноцитозных пузырьков; 3, 3а – утилизация содержимого фагоцитозных пузырьков; 4, 4а – ферментативное расщепление поврежденных митохондрий. 3а – фагосомы.

ных органических соединений, которые после выхода в цитоплазму становятся участниками клеточного метаболизма. Переваривание биогенных макромолекул внутри лизосом может идти в ряде клеток не до конца. В этом случае в полости лизосомы накапливаются непереваренные продукты. Такая лизосома называется остаточным тельцем. Там же откладываются пигментные вещества. У человека при старении организма в остаточных тельцах клеток мозга, печени и в мышечных волокнах накапливается "пигмент старения" - липофусцин.

Если вышесказанное можно условно охарактеризовать как действие лизосом на уровне клетки, то другая сторона деятельности этих органоидов проявляется на уровне целого организма, его систем и органов. Прежде всего это касается удаления отмирающих в процессе эмбриогенеза органов (например хвост у головастика), при дифференцировке клеток некоторых тканей (замена хряща костью) и т.д.

Учитывая большое значение ферментов лизосом в жизнедеятельности клетки, можно предположить, что любые нарушения их работы могут привести к тяжёлым последствиям. При повреждении гена, контролирующего синтез какого-либо фермента лизосом, у последнего произойдёт нарушение структуры. Это приведёт к тому, что в лизосомах будут накапливаться «непереваренные» продукты. Если в клетке таких лизосом становится слишком много, клетка повреждается и как результат нарушается работа соответствующих органов. Наследственные болезни, развивающиеся по такому сценарию, носят название «лизосомные болезни накопления».

Следует обратить внимание также на участие лизосом в формировании иммунного статуса организма (рис 13). Попадая в организм, антиген (например, токсин микроорганизма) в основном (около 90%) разрушается, что предохраняет клетки от его повреждающего действия. Оставшиеся в крови молекулы антигена поглощаются (пиноцитозом или фагоцитозом) макрофагами или специальными клетками с развитой лизосомальной сис

Бактерия

Антиген

Макрофаг

пинозитоза

Пиноцитозный

Лизосома

Пептидные фрагменты антигена

Рис. 13. Формирование в макрофаге пептидных фрагментов антигена

(масштабы не соблюдены).

темой. Пиноцитозный пузырёк или фагосома с антигеном соединяется с лизосомой и ферменты последней, расщепляют антиген на фрагменты, которые обладают большей антигенной активностью и меньшей токсичностью, чем первоначальный микробный антиген. Эти фрагменты в большом количестве выносятся на поверхность клеток, и происходит мощная активация иммунных систем организма. Понятно, что усиление антигенных свойств (на фоне отсутствия токсического эффекта), в результате лизосомальной обработки, значительно ускорит процесс развития защитных иммунных реакций на этот микроорганизм. Процесс расщепления лизосомами антигена на пептидные фрагменты носит название процессинг антигена . Необходимо отметить, что непосредственное участие в этом явлении принимают ЭПС и комплекс Гольджи.

И, наконец, в последнее время широко рассматривается вопрос взаимоотношения лизосом и микроорганизмов, фагоцитированных клеткой. Как мы излагали ранее, слияние фагосомы и лизосомы приводит к перевариванию микроорганизмов в фаголизосоме. Это наиболее благоприятный исход. Однако возможны и другие варианты взаимоотношений. Так, некоторые патогенные (болезнетворные) микроорганизмы при проникновении в клетку внутри фагосомы выделяют вещества, блокирующие слияние лизосом с фагосомой. Это даёт возможность сохраниться им в фагосомах. Однако срок жизни клеток (фагоцитов) с поглощёнными микроорганизмами невелик, они распадаются, выбрасывая в кровь фагосомы с микробами. Вышедшие в кровеносное русло микроорганизмы способны вновь спровоцировать рецидив (возврат) заболевания. Возможен и другой вариант, когда части разрушенного фагоцита, в том числе и фагосомы с микробами, вновь поглощаются другими фагоцитами, снова оставаясь в живом состоянии и в новой клетке. Цикл может повторяться достаточно длительное время. Описан случай заболевания сыпным тифом у пожилого пациента, который ещё юношей-красноармейцем перенёс сыпной тиф, сражаясь в Первой конной армии. Через пятьдесят с лишним лет повторились не только симптомы заболевания – даже бредовые видения возвращали старика в эпоху гражданской войны. Всё дело в том, что возбудители сыпного тифа обладают способностью блокировать процесс соединения фагосом и лизосом.

Функция лизосом:

· пищеварительная (переваривая части цитоплазмы и микроорганизмы, поставляет элементарные органические соединения для нужд клетки),

· утилизационная (очищает цитоплазму от распавшихся частей),

· участвуют в удалении отмирающих клеток и органов,

· защитная (переваривание микроорганизмов, участие в иммунных реакциях организма).

Рибосомы.

Это аппарат синтеза белка в клетке. В рибосому входят две субъединицы – большая и малая. Субъединицы имеют сложную конфигурацию (см. рис. 14) и состоят из белков и рибосомальной РНК (рРНК). Рибосомальная РНК служит своеобразным каркасом, на который крепятся молекулы белка.

Образование рибосом происходит в ядрышке ядра клетки (этот процесс будет рассмотрен ниже). Сформированные большая и малая субъединица выходят через ядерные поры в цитоплазму.

В цитоплазме рибосомы находятся в диссоциированном или диспергированном состоянии, это диссоциированные рибосомы . В таком состоянии они не способны прикрепиться к мембране. Это не рабочее состояние рибосомы. В рабочем состоянии рибосома представляет собой органоид, состоящий из двух скрепленных между собой субъединиц, между которыми проходит нить иРНК. Такие рибосомы могут свободно «плавать» в цитозоле, они называются свободные рибосомы , или прикрепляться к различным мембранам,

А Б В Г

Рис. 14. Естественная форма малой (А) и большой (Б) субъединицы рибосомы. Целая рибосома (В). Схематическое изображение рибосомы (Г)

например к мембране ЭПС. На мембране рибосома чаще всего располагается не в одиночку, а ансамблем. В ансамбле может быть разное количество рибосом, но все они соединены одной нитью иРНК. Это делает работу рибосом очень эффективной. В то время как очередная рибосома заканчивает синтез белка и сходит с иРНК, другие этот синтез продолжают, находясь в различных местах молекулы РНК. Ансамбль таких рибосом на
зывается полисомой (рис. 15).

Окончание синтеза белка Начало синтеза белка

Рис. 15. Схема синтеза белка полисомой.

На рисунке полисома состоит из пяти разных рибосом.

Обычно на мембранах шероховатой ЭПС синтезируются белки на экспорт, а в гиалоплазме – на нужды клетки. Если при заболевании обнаруживается отсоединение рибосом от мембран и переход их в гиалоплазму, то это можно рассматривать как защитную реакцию – с одной стороны, клетки сокращают экспорт белка и увеличивает синтез белка на внутренние нужды. С другой стороны, такое отсоединение рибосом свидетельствует о наступающем энергодифеците клетки, так как прикрепление и удержание рибосом на мембранах требует затраты энергии, основным поставщиком которой в клетке является АТФ. Недостаток АТФ закономерно приводит не только к отсоединению рибосом от мембраны, но и неспособности свободных рибосом прикрепиться к мембране. Это приводит к выключению из молекулярного хозяйства клетки эффективного генератора белка – шероховатой ЭПС. Считается, что энергодефицит – это серьёзное нарушение клеточного метаболизма, чаще всего связанное с нарушением в деятельности энергозависимых процессов (например в митохондриях).

В рибосоме имеются три различных участка, с которыми связывается РНК - один для матричной, или информационной РНК (мРНК, или иРНК), и два для транспортной РНК. Первый располагается в месте контакта большой и малой субъединицы. Из двух последних - один участок удерживает молекулу тРНК и формирует связи между аминокислотами (пептидные связи), поэтому его называют Р-центр. Он располагается в малой субъединице. А второй служит для удержания только что прибывшей молекулы тРНК, нагруженной аминокислотой. Его называют А-центром.

Следует подчеркнуть, что при синтезе белка некоторые антибиотики могут блокировать этот процесс (подробнее на этом мы остановимся, когда будем описывать трансляцию).

Митохондрии.

Их называют «энергетическими станциями клетки». У эукариот в процессе гликолиза, цикла Кребса и других биохимических реакций формируется большое количество электронов и протонов. Часть из них участвует в разнообразных биохимических реакциях, другая часть аккумулируется в специальных соединениях. Их несколько. Наиболее важные из них НАДН и НАДФН (никотинамидадениндинуклеотид и никатинамидадениндинуклеотид-фосфат). Эти соединения в форме НАД и НАДФ являются акцепторами – своеобразными «ловушками» электронов и протонов. После присоединения к ним электронов и протонов они превращаются в НАДН и НАДФН и являются уже донорами элементарных частиц. «Отлавливая» их в самых различных частях клетки, они переносят частицы в различные отделы цитоплазмы и, отдавая их на нужды биохимических реакций, обеспечивают бесперебойное течение метаболизма. Эти же соединения поставляют электроны и протоны в митохондрии из цитоплазмы и из матрикса митохондрий, где располагается мощный генератор элементарных частиц – цикл Кребса. НАДН и НАДФН, встраиваясь в цепь переноса электронов (см. далее), передают частицы на синтез АТФ. Из АТФ энергия черпается на все процессы, идущие в клетке с затратой энергии.

Митохондрии имеют две мембраны жидкостно-мозаичного типа. Между ними располагается межмембранное пространство. Внутренняя мембрана имеет складки – кристы (рис. 16). Внутренняя поверхность крист усеяна грибовидными тельцами, имеющими ножку и головку.

В грибовидных тельцах происходит синтез АТФ. В самой толще внутренней мембраны митохондрий располагаются ферментные комплексы, переносящие электроны с НАДН 2 на кислород. Эти комплексы называютсядыхательной цепью или цепью пере-

Рибосома

А Б С

Кольцевая ДНК

Рис. 16. Митохондрии:

А – Общая схема организации митохондрий. Б – участок кристы с грибовидными телами:

1 – наружная мембрана митохондрий; 2 – межмембранный матрикс; 3 – внутренняя мембрана; 4 – матрикс; 5 – криста; 6 – грибовидные тельца.

носа электронов. За счёт движенияэ лектронов по этому комплексу происходит синтез АТФ. АТФ является главным поставщиком энергии для всех клеточных процессов. Митохондрии являются главными потребителями кислорода в организме. Поэтому в первую очередь на недостаток кислорода реагируют митохондрии. Реакция эта однозначна –недостаток кислорода (гипоксия) приводит к набуханию митохондрий, в дальнейшем клетки повреждаются и отмирают.

Различные типы эукариотических клеток отличаются друг от друга как по количеству и форме митохондрий, так и по количеству крист. Содержание органелл в клетке колеблется в пределах 500 – 2000, в зависимости от потребности в энергии. Так активно работающие клетки кишечного эпителия содержат много митохондрий, а в сперматозоидах они формируют сеть, обвивающую жгутик, обеспечивая его энергией для движения. В тканях с высоким уровнем окислительных процессов, например в сердечной мышце количество крист во много раз больше, чем в обычных клетках. В митохондриях сердечной мышцы число их в 3 раза больше, чем в митохондриях печени.

Жизнь митохондрий измеряется днями (5 – 20 дней в различных клетках). Устаревшие митохондрии гибнут, распадаются на фрагменты и утилизируются лизосомами. Взамен формируются новые, которые появляются в результате деления имеющихся митохондрий.

Обычно в матриксе митохондрий располагаются 2 – 10 молекул ДНК. Это кольцевые структуры, кодирующие митохондральные белки. В митохондриях имеется весь аппарат синтеза белка (рибосомы, иРНК, тРНК, аминокислоты, ферменты транскрипции и трансляции). Поэтому в митохондриях осуществляются процессы репликации, транскрипции и трансляции, происходит созревание иРНК – процессинг. Исходя из этого, митохондрии являются полуавтономными единицами.

Существенным моментом в деятельности митохондрий является синтез в них стероидных гормонов и некоторых аминокислот (глутаминовой). Устаревшие митохондрии могут выполнять депонирующую функцию – накапливать продукты экскреции или аккумулировать вредные вещества, попавшие в клетку. Понятно, что в этих случаях митохондрия перестаёт выполнять свою основную функцию.

Функции митохондрий:

· накопление энергии в форме АТФ,

· депонирующая,

· синтетическая (синтез белков, гормонов, аминокислот).