Ченцов Ю.С. Введение в клеточную биологию. Общая цитология
Подождите немного. Документ загружается.
в интерстициальных клетках семенника, в растительных железистых
терпеноидогенных клетках).
Неоднократно была установлена непрерывность перехода между гладкой
формой ЭР и гранулярной его формой. Часто можно наблюдать, как цистерна
гранулярного ЭР теряет на своей поверхности рибосомы и становится “гладкой”
(рис. 191). При этом такой участок цистерны делается неровным, начинает как
бы ветвиться, переходя в трубочки и канальцы гладкого ЭР. Этот участок часто
называют переходным из-за того, что именно здесь образуются и отделяются
транспортные пузырьки, переносящие новосинтезированные белки и липиды к
зоне аппарата Гольджи. Гладкий ЭР является вторичным по отношению к
гранулярному ЭР, происходит из последнего. Так, у крысенка перед рождением
в печеночных клетках образуется большое количество гранулярного ЭР, но сразу
после рождения появляется масса трубочек гладкого ЭР. Ряд биохимических,
морфологических и авторадиографических данных приводит к заключению, что
гранулярный ЭР увеличивается в объеме, растет за счет синтезирующихся
мембран, которые остаются в его составе или, потеряв рибосомы, превращается
в гладкий ЭР. Например, при использовании радиоактивных предшественников
мембранных компонентов и при получении отдельных фракций гладкого и
гранулярного ЭР было обнаружено, что при интенсивном разрастании гладкого
ЭР метка вначале появляется в гранулярном ЭР и только спустя некоторое время
– в гладком ЭР.
Несмотря на топографическую связь и общность происхождения, эти два
представителя ЭР резко отличаются друг от друга в функциональном
отношении. Как уже указывалось, отсутствие рибосом на гладком ЭР прямо
говорит о его непричастности к синтезу белков. Деятельность гладкого ЭР
скорее можно связать с метаболизмом липидов и некоторых внутриклеточных
полисахаридов.
Участие гладкого ЭР в синтезе триглицеридов и липидов было показано
при изучении процессов всасывания жиров клетками кишечного эпителия. В
301
просвете кишечника жиры распадаются до жирных кислот и моноглицеридов. В
апикальных участках клеток кишечника видно при этом накопление
осмиофильных гранул внутри просветов канальцев гладкого ЭР. Это связано с
ресинтезом новых триглицеридов из поступивших в клетку предшественников,
с образованием липидов и липопротеидов, которые с помощью вакуолей
аппарата Гольджи выводятся из клеток и попадают в лимфатическое русло.
Мелкие капли липидов иногда в комплексе с белками можно наблюдать и в
клетках печени, причем эти капли встречаются в полостях гладкого ЭР около
зоны аппарата Гольджи. Если крысам давать вещества, приводящие к
образованию отложений больших капель жира (жировая дистрофия), то первые
мелкие липидные капельки появляются в гладком ЭР, но иногда и в полостях
гранулярного ЭР.
Гладкий ЭР особенно в большом объеме встречается в клетках,
секретирующих стероиды, в таких, как клетки коркового вещества
надпочечника. Основные ферменты синтеза стероидов были обнаружены во
фракциях микросом, образовавшихся при разрушении гладкого ЭР из этих
клеток. Гладким ретикулумом богаты интерстициальные клетки семенников,
участвующие в синтезе стероидных гормонов, а также клетки сальных желез в
самом начале накопления жира.
Тесная топографическая связь гладкого ЭР с отложениями гликогена
(запасного внутриклеточного полисахарида животных и грибов) в гиалоплазме
различных клеток показывает на значение этой связи с метаболизмом углеводов.
В клетках печени, в мышечных волокнах гликоген откладывается в зонах,
свободных от гранулярных цистерн ЭР, но богатых пузырьками и канальцами
гладкого ЭР. Такие зоны гладкого ЭР могут увеличиваться в размере как при
исчезновении гликогена (например, при голодании), так и при увеличении его
отложений (рис. 192,193).
В печени часто увеличение зон гладкого ЭР связано с рядом
патологических процессов в клетках. Так, при барбитуратных отравлениях, при
302
действии различных канцерогенов или ядовитых веществ, при действии
больших доз гормональных препаратов клетки печени теряют свою
характерную для них базофилию цитоплазмы, в них падает содержание РНК и
появляются в цитоплазме оксифильные зоны. В электронном микроскопе эти
зоны представлены скоплениями гладкого ЭР, это явление связано с тем, что в
этих местах происходят процессы деградации различных вредных веществ,
процессы метаболической дезактивации, которые осуществляются целым рядом
окислительных ферментов, из которых наиболее известен белок, называемый
цитохром Р450. Этот белок участвует в присоединении гидроксильной группы к
различным, потенциально опасным водонерастворимым углеводородам или к
липофильным ядовитым веществам (например, четыреххлористый углерод),
попадающим в мембранный бислой. Здесь же другие ферменты добавляют к
этим гидроксильным группам отрицательно заряженные молекулы (сульфат,
глюкуроновая кислота), что делает метаболиты или вредные липофильные
вещества растворимыми в воде, из-за чего они могут выводиться из организма
вместе с мочой. Разросшийся гладкий ЭР в клетках печени после удаления
токсического вещества уничтожается, вероятно, с помощью лизосом -
автофагосом.
В поперечнополосатых мышцах вакуоли и каналы гладкого ЭР
(саркоплазматический ретикулум) окружают каждую миофибриллу (рис. 194).
Здесь ЭР выполняет специальную функцию депонирования ионов кальция. В
присутствии АТФ он может активно поглощать и накапливать ионы кальция, что
приводит к расслаблении, мышечного волокна. Белки кальциевого насоса
являются интегральными белками мембран саркоплазматического ретикулума.
Среди высших растений гладкий ретикулум встречается в клетках тканей,
участвующих в синтезе и транспорте терпенов, стероидов, липидов.
Вакуоли растительных клеток.
Клетки как низших, так и высших растительных организмов содержат в
цитоплазме вакуоли, несущие ряд важных физиологических нагрузок (рис. 195).
303
У молодых клеток может быть несколько мелких вакуолей, которые по мере
роста и дифференцировки клетки сливаются друг с другом и образуют одну или
несколько крупных вакуолей, занимающих до 90% объема всей клетки.
Центральные вакуоли отделены от цитоплазмы одинарной мембраной, сходной
по толщине с плазмалеммой. Мембрана, ограничивающая центральные вакуоли,
носит название тонопласта. Возникают центральные вакуоли из мелких
пузырьков, отщепившихся от аппарата Гольджи. Такие первичные вакуоли
растут в объеме, сливаются друг с другом и в конце концов образуют одну или
несколько крупных вакуолей, оттесняющих цитоплазму с ядром и органоидами
к периферии клетки. Полость вакуоли заполнена так называемым клеточным
соком, представляющим собой водный раствор, в который входят различные
неорганические соли, сахара, органические кислоты и их соли и другие
низкомолекулярные соединения, а также некоторые высокомолекулярные
вещества (например, белки).
Центральные вакуоли растений выполняют многообразные и важные
функции. Одной из главных ее функций является поддержание тургорного
давления клеток. Растворенные в соке вакуолей молекулы определяют его
осмотическую концентрацию. Соответствующая молекулярная концентрация
сока вакуолей и полупроницаемые свойства как ее мембраны, тонопласта, так и
плазмалеммы способствуют тому, что вакуоль функционирует в качестве
осмометра и придает клетке необходимую прочность и тургисцентность
(напряженность).
Другая функция определяется тем, что вакуоль представляет собой
большую полость, отделенную от метаболирующей гиалоплазмы мембраной,
тонопластом, обладающим свойствами полупроницаемости и через котрый
может происходить, как и через плазматическую мембрану, активный транспорт
различных молекул. В тонопласте обнаружен АТФ-зависимый Н
+
-насос,
направленный внутрь вакуолей, участвующий в транспорте сахаров. Поэтому
вакуоли могут использоваться клетками как накопительные резервуары не
304
только для отложения запасных веществ, но и для выброса метаболитов, для
экскреции. Так выводятся, секретируются из клетки все водорастворимые
метаболиты. Нерастворимые в воде органические компоненты могут
превращаться в растворимые глюкозиды, соединяясь с молекулами сахаров.
Перечень экскретируемых в вакуоли метаболитов очень обширен. Это
различные алкалоиды (например, никотин, кофеин) и полифенолы. В вакуолях
происходит отложение многих глюкозидов, к которым относятся различные
пигменты, например антоцианы.
Из неорганических веществ в вакуолярном соке накапливаются фосфаты
калия, натрия, кальция, могут накапливаться соли органических кислот
(оксалаты, цитраты и др.). Это придает вакуолярному соку отчетливую кислую
реакцию (рН от 2 до 5).
Таким образом, можно считать, что тонопласт участвует в процессах
экскреции.
Другой обширный ряд функций вакуолей связан с накоплением запасных
веществ, таких, как сахара и белки. Сахара в вакуолях содержатся в виде
растворов, встречаются и резервные полисахариды типа инулина. В вакуолях
происходит запасание белков, что характерно для семян. Поступление белков в
вакуоли, вероятнее всего, связано со способностью вакуолей ЭР и АГ сливаться
с тонопластом. Запасание белков семян злаковых происходит в так называемых
алейроновых вакуолях, которые заполняются альбуминами и глобулинами,
после чего вакуоли обезвоживаются, превращаясь в твердые алейроновые зерна.
При прорастании семян эти зерна обводняются и снова превращаются в
вакуоли. В таких новообразованных вакуолях выявляется активность некоторых
ферментов, кислой фосфатазы, α-амилазы, глюкозидазы, протеиназы и РНКазы.
Следовательно, алейроновые вакуоли отчасти напоминают лизосомы, где
происходит переваривание запасных белков при прорастании семян.
Гидролитические ферменты были обнаружены не только в алейроновых
вакуолях, но и в мелких и крупных центральных вакуолях. Наблюдалась
305
неоднократно инвагинация, впячивание тонопласта внутрь вакуолей, при этом
часть “втянутого” материала оказывается в полости вакуоли и там деградирует.
Возможно, так выполняется аутофагическая функция вакуолей, участвующих в
гидролизе дефектных клеточных компонентов. Лизосомными свойствами
обладают вакуоли дрожжей. Было обнаружено, что стенки вакуолей дрожжей
тоже могут образовывать впячивания внутрь, затем они отщепляются от
тонопласта и растворяются внутри вакуоли.
Сферосомы
Это мембранные пузырьки, встречающиеся в клетках растений, они
окрашиваются липофильными красителями, имеют высокий коэффициент
преломления и поэтому хорошо видны в световой микроскоп. Сферосомы
образуются из элементов эндоплазматического ретикулума. На конце цистерны
ЭР начинает накапливаться осмиофильный материал, затем от этого участка
отшнуровывается и начинает расти мелкий пузырек, достигающий диаметра
0,1-0,5 мкм. Это “просферосома”, окруженная одинарной мембраной. Рост
сферосом и перестройка их содержимого связаны с накоплением в них масла,
так что сферосома постепенно превращается в масляную каплю. Отложение
липидов начинается между осмиофильными слоями мембраны. Кроме жиров в
составе сферосом обнаруживают белки и среди них фермент липазу,
расщепляющую липиды.
Пероксисомы (микротельца)
Это небольшие вакуоли (0,3-1,5 мкм), одетые одинарной мембраной,
отграничивающей гранулярный матрикс, в центре которого располагается
сердцевина, или нуклеоид (ничего не имеющий общего с нуклеоидом бактерий
и вобще к ядерным структурам не относящийся).
В зоне сердцевины часто, особенно в пероксисомах печеночных клеток,
видны кристаллоподобные структуры, состоящие из регулярно упакованных
фибрилл или трубочек. Изолированные сердцевины пероксисом содержат
фермент уратоксидазу (рис. 196, 207б).
306
Пероксисомы обнаружены у простейших (амебы, тетрахимена), у низших
грибов (дрожжи), у высших растений в некоторых эмбриональных тканях
(эндосперм) и в зеленых частях, способных к фотореспирации, у высших
позвоночных животных они обнаруживаются главным образом в печени и
почках. В печени крыс на клетку число пероксисом колеблется от 70 до 100.
Пероксисомы часто локализуются вблизи мембран ЭР. У зеленых растений
пероксисомы часто находятся в тесном контакте с митохондриями и
пластидами.
Впервые пероксисомы были выделены из печени и почек. Во фракциях
пероксисом обнаруживается ферменты, связанные с метаболизмом перекиси
водорода. Это ферменты (оксидазы, уратоксидаза, оксидаза d-аминокислот)
окислительного дезаминирования аминокислот, при работе которых образуется
перекись водорода (Н
2
О
2
)
и каталаза, разрушающая ее. В пероксисомах печени
каталаза составляет до 40 % всех белков и локализована в матриксе. Так как
Н
2
О
2
является токсическим веществом для клеток, то каталаза пероксисом
может играть важную защитную роль. Пероксисомы цыплят и лягушек кроме
уратоксидазы содержат ряд ферментов катаболизма пуринов.
У животных и некоторых растений (проростки клещевины) пероксисомы
играют важную роль при превращении жиров в углеводы. Так, в клетках
эндосперма клевещины в пероксисомах (глиоксисомах) содержатся ферменты
глиоксалатного цикла.
Пероксисомы не содержат никаких нуклеиновых кислот и все белки, из
которых они состоят, кодируются ядерными генами, но их относят к
саморепродуцирующимся органеллам. В пероксидах происходит накопление
специфических белков, которые синтезируются в цитозоле, и имеют свои
сигнальные участки. В мембране пероксисом есть рецепторный белок, который
узнает транспортируемые белки. Белки мембран пероксисом, также как и
липиды приходят из цитозоля. Такое накопление содержимого и рост мембраны
307
приводят к общему росту пероксисомы, которая затем с помощью неизвестного
пока механизма делится на две – самореплицируется.
Секреция белков и образование мембран у бактерий
В принципе рост плазматической мембраны и её производных у бактерий
происходит тем же образом, что и образование мембран у эукариотических
клеток.
Как известно, синтез белков у бактерий осуществляется на 70s рибосомах,
которые также, как и у клеток высших организмов, имеют двоякую
локализацию. Большая часть рибосом бактериальных клеток образует полисомы
в цитоплазме, около 25% рибосом связано с плазматической мембраной. Такие
рибосомы участвуют как в синтезе белков мембраны, так и в синтезе
экскретируемых белков. Многие бактериальные клетки получают питательные
вещества за счет деградации полимеров около бактериальной поверхности. Для
этого бактерии должны выделять гидролизирующие ферменты в окружающую
среду. Это они делают намного проще, чем эукариотические клетки: часть их
рибосом, локализованных на внутренней (цитоплазматической) поверхности
плазматической мембраны, синтезирует белки, которые, подобно секреторным
белкам, проходят через мембрану и оказываются вне клетки. Выделенные
гидролазы застревают в компонентах муреиновой бактериальной стенки и там
функционируют. На других рибосомах, связанных с мембранами, идет синтез
белков для построения самой мембраны, подобно тому, что происходит в
гранулярном ЭР эукариотических клеток. Так что в этом отношении бактерию
можно уподобить вакуоли гранулярного ЭР, вывернутой наизнанку.
На примере бактерий хорошо изучен путь синтеза липидных компонентов
мембран. Так, было найдено, что синтез фосфоэтидилэтаноламина происходит с
помощью ферментов, являющихся интегральными белками плазматической
мембраны, активные участки которых находятся на цитоплазматической стороне
мембраны. Синтезированные здесь липиды встраиваются во внутренний
липидный слой. Оказалось, что новосинтезированные липиды довольно быстро
308
обнаруживаются и во внешнем слое мембраны за счет работы переносчиков –
флиппаз.
Часть V . Цитоплазма: системы энергообеспечения клеток
Для осуществления любых клеточных функций необходимы затраты
энергии. Живые организмы получают её, или используя внешние источники,
например за счет энергии Солнца, или же используя энергию переноса
электронов при окислении различных субстратов. В обоих случаях клетками
синтезируются молекулы АТФ (аденозинтрифосфат), некая разменная
“топливная” единица, обладающая высокоэнергетическими фосфатными
связями, при разрушении которых выделяемая энергия может тратиться на
любые клеточные функции: на активный транспорт веществ, на синтетические
процессы, на механическую работу и т.д. (рис. 197). В клетках животных синтез
АТФ осуществляется специальными органеллами, митохондриями, в
растительных клетках кроме митохондрий в энергообеспечении огромную роль
играют хлоропласты, один из видов пластид. Эти два органоида имеют общий
сходный план строения, и выполняют сходные энергетические функции.
Митохондрии и пластиды – двумембранные органоиды эукариотических клеток.
Общим в их строении является то, что они отделены от цитоплазмы
(гиалоплазмы) двумя мембранами – внешней и внутренней. Поэтому у
митохондрий и пластид различают две полости или пространства: одну между
внешней и внутренней мембранами (межмебранные) и другую, основную
(матрикс), ограниченную внутренней мембраной. Другой общей чертой в их
строении является то, что внутренняя мембрана образует складки, мешки,
гребни, глубокие впячивания, направленные внутрь матрикса. На таких
мембранных гребнях и впячиваниях локализуются активные метаболические
центры этих органелл – полиферментные комплексы, определяющие
выполнение основных физиологических функций (окислительное
фосфорилирование для митохондрий, фотофосфорилирование для
хлоропластов). В матриксе и тех, и других располагаются элементы
309
авторепродукции этих клеточных мембранных органелл и локализованы
ферменты некоторых метаболических процессов. Система авторепродукции
двумембранных органелл представлена ДНК, РНК и рибосомами, которые могут
определять часть генетических, автономных свойств этих структур.
Главными функциональными нагрузками пластид и митохондрий являются
процессы энергетического характера, приводящие к синтезу специфических
молекул аденозинтрифосфата (АТФ), являющихся донорами энергии для любых
клеточных процессов.
В митохондриях, хлоропластах, так же как в бактериях, АТФ синтезируется
одним и тем же способом: с помощью энергии, отдаваемой электронами при
продвижении их по электроннотранспортной цепи белков внутренний
мембраны, происходит перенос, “перекачка” протонов с внутренней стороны
мембраны на внешнюю. Вследствие этого возникает электрохимический
протонный градиент, энергия которого с помощью других белков используется
для синтеза АТФ.
В хлоропластах растений, кроме того, при использовании энергии АТФ,
образованной в результате фосфорилирования, происходит важнейший
биологический процесс – связывание СО
2
и синтез углеводов.
Глава 18. Митохондрии – строение и функции
Митохондрии как органеллы синтеза АТФ характерны, за малым
исключением, для всех эукариотических клеток как аутотрофных
(фотосинтезирующие растения), так и гетеротрофных (животные, грибы)
организмов. Их основная функция связана с окислением органических
соединений и использовании освобождающейся при распаде этих соединений
энергии в синтезе молекул АТФ. Поэтому митохондрии часто называют
энергетическими станциями клетки.
Общая морфология
Митохондрии или хондриосомы (от греч. mitos– нить, chondrion- зернышко,
soma- тельце) представляют собой гранулярные или нитевидные органеллы,
310