2 курс / Нормальная физиология / Физиология_с_основами_анатомии_человека_Малоштан_Л_Н_ред_,_Рядных

Рис. 6. Комплекс Гольджи в клетке эпидермиса кролика

Функции комплекса Гольджи:

1.На формирующем полюсе происходит поглощение белков и лиE пидов, синтезируемых в шероховатом и гладком эндоплазматическом ретикулуме и функционально связанных с пузырьками аппарата ГольE джи.

2.МногочисленныеисследованияразличныхклетокпищеварительE ной системы показали,что аппарат Гольджи принимаетактивноеучасE тиевовключенииуглеводныхкомпонентоввбелкисобразованиемразE личныхважныхгликопротеидов(тиреоглобулин,иммуноглобулин,муE циген),полисахаридEбелковыхкомплексов,необходимыхдлясоздания новых клеточных структур. Включение терминальных углеводов в белE ковую молекулу является пусковым моментом для процесса экзоцитоE за продуктов секреции.

3.ВаппаратеГольджинакапливаютсяуглеводыввидерастворимых олигомеровиуронидов,полимерыкоторыхспособнысильнонабухать. Они входят в состав слизей, выделяемых аппаратом Гольджи.

4.Аппарат Гольджи участвует в завершении формирования липоE протеинов путем обволакивания липида мембраной и доставкой их

вопределенные места плазматической мембраны.

5.Имеются данные о том, что ферменты аппарата Гольджи приниE маютактивноеучастиевсульфатированиипродуктовсекреции(наприE мер, образование мукополисахаридов эпителиальных клеток ЖКТ).

6.Аппарат Гольджи участвует в процессах секреции молока (вклюE чение галактозы в гликопротеиды, накопление лактозы).

21

7.Помнениюнекоторыхисследователей,аппаратуГольджипринадE лежитважнаярольвсинтезеисекрецииуглеводсодержащихкомпоненE товмежклеточногоматрикса,атакжевпроцессахпреобразованиявупоE рядоченныеструктурытакихструктурныхбелков,какколлаген.

1.6.5. Митохондрии

Структура митохондрий. Митохондрии — субклеточные органеллы длиной 2 мкм и диаметром 0,5 мкм (рис. 7).

Митохондриичастонаходятсявклеткепоблизостиотструктур,нужE дающихся в АТФ, или от источников клеточного «топлива». По размеE рам они сходны с бактериями, однако, форма их варьирует. МитохондE рии имеют две мембраны, которые могут быть отделены одна от друE гой. Наружная мембрана содержит моноаминооксидазу и ферменты, активирующие жирные кислоты; она свободно проницаема для больE шинства растворимых низкомолекулярных соединений. Внутренняя

22

ющихпереносспецифическихметаболитовчерезмембрану.Внутренний матрикс митохондрий содержит большое количество белка, часть коE торого составляют различные ферменты цикла Кребса, βEокисления жирных кислот, цикла мочевины, а также пул (депо) АДФ, АТФ, НАД, НАДН и КоА, отделенный от их цитоплазматического пула внутренE ней мембраной, непроницаемой для этих соединений. В матриксе наE ходятся крупные гранулы, характеризующиеся высокой электронной плотностью. В некоторых митохондриях были обнаружены рибосомы. Митохондрии содержат молекулы ДНК. У митохондриальной ДНК кольцевая структура (как у бактерий), несущая информацию для синE теза определенных полипептидных цепей цитохромов и АТФEазы. ТаE ким образом, в митохондриях синтезируются необычно гидрофобные водонерастворимые белки, и удается избежать необходимости их переE движениянакакоеEлиборасстояниечерезцитоплазму.Информацияпо синтезу многих других полипептидных цепей заложена, как обычно, в ДНК ядра.

Функции митохондрий:

1.Митохондрии — энергетические станции клетки, в которых синE тезируется АТФ — основной источник энергии в живом организме. Митохондриисуществуютвовсехэукариотическихклетках,кромезреE лых эритроцитов.

2.В митохондриях осуществляется процесс клеточного дыхания —

потребляется кислород и выделяется СО2. В этих органеллах мембранE ныебелкисодержатвкачествекоферментов(небелковаячастьферменE

та) витамины, неорганические соединения: железо, серу, медь.

3.В митохондриях происходит превращение энергии, запасенной в пище, в другие виды энергии.

Клетки получают необходимую энергию за счет окисления белков, жиров, углеводов, которые гидролизуются за пределами митохондрии доаминокислот,моносахаридов,глицеринаижирныхкислот.ЭтинизE комолекулярныепродуктыврезультатепоследовательныхреакцийпреE образуются в производные уксусной кислоты — ацетилEКоА. В таком

видеацетильныегруппыокисляютсядоСО2 вциклеКребса.Ферменты этого процесса находятся в матриксе митохондрии. В результате цикла

Кребса происходит образование атомов водорода, акцептором котороE го является НАДEкофермент. Далее электроны с этого соединения поE ступают в цепь переноса на внутренней мембране митохондрий, где

двигаются от переносчика к переносчику на молекулярный О2, котоE рый восстанавливается до Н2О. Этот процесс называется дыханием,

ацепь переноса электронов — дыхательной цепью. Дыхание сопряжеE

23

но с фосфорилированием. В процессе переноса электронов вдоль дыE хательной цепи создается градиент концентрации Н+ в направлении, перпендикулярном поверхности мембраны (Митчел, 1966, ХимиоосE мотическая гипотеза), который используется для синтеза АТФ. Таким образом, в митохондриях происходят важные процессы окислительноE го фосфорилирования.

Помимо дыхания, связанного с фосфорилированием, в митохондE риях существует дыхание не связанное с накоплением макроэргов. Это так называемое нефосфорилированное окисление. Освобождающаяся при этом энергия рассеивается в виде тепла. Существует ряд соединеE ний, способных разрывать сопряженность между дыханием и фосфоE рилированием. В частности, к таким разобщителям относятся динитE рофенол, дикумарин, тироксин, олигомицин и др.

МитохондриимогутнакапливатьионыСа2+засчетэнергии,высвобожE даемойвпроцессепереносаэлектронов,нопроцессаккумуляцииСа2+вмиE тохондрияхальтернативенпроцессуокислительногофосфорилирования.

1.6.6. Лизосомы

Структура лизосом. Лизосомы — субклеточные структуры диаметE ром от 0,5 до 2–3 мкм. Ограничены элементарной мембраной толщиE ной 7 мм и содержат гидролитические ферменты (протеазы, нуклеазы, гликозидазы,липазы,фосфолипазы,фосфатазыит.д.).ЛизосомыприE сутствуют, за редким исключением (эритроциты млекопитающих), во всех животных клетках.

Лизосомыучаствуютв«переваривании»материалов,поступающих извне, и структурных элементов клетки. В случае гибели клетки происE ходит разрыв лизосомальной мембраны и начинается автолиз клетки: гидролазы расщепляют белки до аминокислот, нуклеиновые кислоты до нуклеотидов, полисахариды до моносахаридов.

В тканях с высокой скоростью обновления клеток содержание лиE зосом в клетках повышено (в клетках эпителия почечных канальцев, остеокластов кости, молочных желез).

Ограниченный элементарной мембраной пузырек с гидролитичесE кими ферментами называется первичной лизосомой.

Когда первичная лизосома сливается с вакуолями, фагосомами, окаймленнымипузырьками,онауженазываетсявторичнойлизосомой. Вторичная лизосома способна к фагоцитозу: захватывать, например, дегенерирующуюмитохондрию и«переваривать» ее (аутофагия), обраE зуя аутолизосому. Лизосомы, переваривающие чужеродные вещества, называются гетеролизосомами.

24

Лизосомы участвуют в процессах экзоцитоза гидролаз.

В шероховатом эндоплазматическом ретикулуме синтезируются гидролитическиеферменты,онипоступаютваппаратГольджи,гдепроE исходит упаковка фермента в секреторных гранулах, далее происходит слияние их с 1Eой лизосомой. Образуются зимогенные гранулы (плотE ные агрегаты молекулы зимогена — неактивного фермента, окруженE ные мембраной). Зимогенные гранулы мигрируют к поверхности клетE ки (мембране) и секретируются наружу.

Функции лизосом:

1)структура клеточного «переваривания», которое сопровождают пиноцитоз и фагоцитоз;

2)участие в катаболизме структурных компонентов самой клетки

ивеществ, поступающих извне;

3)участие в процессе фагоцитоза (лизосомы макрофагов играют роль в защитных механизмах);

4)экзоцитоз;

5)посмертный автолиз.

1.7. Немембранные структуры клетки 1.7.1. Цитоскелет

Он представлен микротрубочками и микрофиламентами, которые являются системой, обеспечивающей подвижность цитоплазменных

ивнутриклеточных мембранных структур (внутриклеточное движение

итрансцитоз),регуляциюформыклеток,участвуетвпроцессахмитоза. Микротрубочки — тонкие цилиндры, имеющие 20–30 нм в диаметE

ре и толщину стенок 4,5–7,0 нм.

Микротрубочкиявляютсялинейнымиполимерами.Онипостроены из молекул гликопротеина тубулина, представляющих собой αβEдимеE ры. Молекулы тубулина, уложенные в форме спирали, образуют проE дольные параллельные протофиламенты, которые составляют стенку цилиндра. Микротрубочки постоянно формируются и разрушаются. ФормированиеихпроисходитпутемсамосборкиитребуетэнергииГТФ (энергии, полученной при гидролизе гуанидинтрифосфата).

Важнейшая функция микротрубочек заключена в регуляции внутE риклеточного перемещения компонентов, например, во время переE движения хромосом при делении. В процессе деления нити веретеE на — пучки микротрубочек — расходятся к противоположным полюE сам клетки.

ДвижениевновьсинтезированногоматериалаотшероховатогоэндоE плазматического ретикулума к комплексу Гольджи определяется

25

микротрубочками,которыенеобходимыдляобеспечениякоординироE ванности транспорта при процессах секреции.

Движение же снаружи ко внутренним областям клетки при фагоE цитозе, пиноцитозе, внутриклеточное движение кортикального типа (аксоток) определяются участием микрофиламентов.

К системе микрофиламентов, помимо тонких филаментов, обраE зующихся белком актином и актинEсвязующими белками: миозином, спектрином и денином, относятся и промежуточные филаменты, белE ки которых обладают межтканевыми различиями: эпителиальные клетки содержат цитокератины, нервные клетки содержат белки нейE рофиламентов, в мышечных клетках содержится десмин и скелетин, в глиальных клетках — глиальный фибриллярный кислый белок.

Системы микрофиламентов вместе с микротрубочками образуют многочисленные контакты с клеточной мембраной. Цитоскелетные системы в клетке осуществляют направленное движение белковEглиE копротеидов вдоль мембраны и в то же время ограничивают подвижE ность мембранных белков. При обработке клетки ингибитором миE кротрубочек клеточные рецепторы объединяются в определенном месте на мембране в так называемые «шапки», а если провести дополE нительную обработку ингибитором системы микрофиламентов, то «шапки» распадаются, превращаясь в диффузные «кластеры». ПодобE ные явления наблюдаются при взаимодействии мембранных гликоE протеинов с антигенами, что свидетельствует о связи мембранных реE цепторов и системы цитоскелета клетки.

Цитоскелетом определяются форма клетки, ее способность приE крепляться к другим клеткам и свобода ее передвижения, а также транспорт различных субстанций в клетку и из нее.

Анализ различных типов движения клеток позволяет понять, каE ким образом форма клетки определяется характером ее движения.

Многие клетки способны плыть. Этот тип движения осуществляE ется при помощи жгутиков и ресничек — выступающих наружу приE датков клетки, содержащих аксонему из микротрубочек. Движущая сила обеспечивается АТФEазной активностью белка микротрубочек — динеина. Форма плавающих клеток определяется микротрубочками, расположенными подмембранно, расходясь от одной точки, наприE мер, от пары базальных телец.

Макрофаги лейкоцитов совершают амебоидное движение. Форма амебоидной клетки — результат локальной сократительной активносE ти микрофиламентов, и ее движение также зависит от микрофилаE ментов и регулируется клеточной мембраной.

26

Фибробласты внеклеточного матрикса совершают зависящее от микротрубочек фибробластоидное движение. Цитоскелет фиброблаE стов обеспечивает постоянство клеточной формы или ее изменение, участвует в распластывании клетки на субстрате, обеспечивает акE тивное движение и поляризацию клетки, генерирует активное наE пряжение.

Эритроциты млекопитающих поддерживают свою форму с помоE щью цитоскелетной примембранной сети белков актина и спектрина.

Цитоскелет тромбоцитов принимает участие в процессах изменеE ния их формы в покое и при активации, обеспечивает их прикреплеE ние к различным поверхностям.

К настоящему времени накоплено множество данных об участии цитоскелета в процессах митоза и экспрессии генов, трансформации.

1.7.2. Рибосомы

Рибосомы представляют собой сложные сферические частицы, соE держащие в своем составе рибосомальную РНК и белок. Известно два типа высокомолекулярной рРНК, константы седиментации которых соответственно равны 16–18 S и 22–28 S. Величина этих констант заE висит от источника рибосом. Более высокие величины констант свойE ственны для рибосом высших организмов. Каждая из указанных тиE пов рибосомальных РНК, вступая в комплекс с белком, образует риE босомную субчастицу большего размера. Эти субчастицы в свою очередь, соединяясь между собой в соотношении 1:1, образуют функE ционально активную рибосому с константой седиментации 80 S.

рРНК синтезируются в ядре, ядрышке на матрице ДНК. РазличE ные типы рРНК отличаются друг от друга как величиной молекулярE ного веса, так и нуклеотидным составом. Поэтому они образуют комE плексы с различными белками. Белки рибосом синтезируются в циE топлазмеипереносятсязатемвядрышки,гдеипроисходитспонтанное образование рибосомных субъединиц путем объединения белков с соE ответствующимирРНК.НекоторыерибосомныебелкивыполняюткаE талитическиефункции.СобранныесубъединицырибосомытранспорE тируются в цитоплазму через поры ядерной мембраны. Рибосомы наE ходятся в цитоплазме либо в свободном состоянии, либо связаны с мембранами эндоплазматического ретикулума (ЭР). Для рибосом, связанныхсмембранамиЭРсуществуютспецифическиебелкиEрецепE торы.НамембранеЭРпроисходитсинтезбелков,которыедалеетрансE портируются из клетки, а на свободных рибосомах в цитоплазме — белки, которые необходимы самой клетке.

27

1.8. Регуляция клеточных функций

Различают несколько уровней, на которых осуществляется регуляE ция клеточных функций.

1.Регуляция за счет изменения свойств цитоплазматической мемE браны, т. е. скорости поступления метаболитов в клетку за счет трансE портных систем мембран, которые не только обеспечивают постоE янство внутриклеточного состава, но и принимают участие в проE цессах транспорта веществ через мембраны внутриклеточных органелл.

2.Регуляция процессов метаболизма ядром клетки.

3.Метаболическаярегуляцияактивностиферментныхсистемклетки.

4.Гуморальный и нервный контроль клеточных функций. ИнформацияотносительнометаболическогосостоянияклетокE«поE

требителей».Обеспечиваетсяхимическимипервичными«носителями»: гормонами, нейромедиаторами, медиаторами, REфакторами, простаE гландинами и др. и поступает в клеткиE«мишени», где происходит преE образование сигнала 1Eго «носителя» информации со специфическим рецептором в клеткеE«мишени», что вызывает изменение конформаE ции рецептора, активацию внутриклеточных или связанных с мембраE нойферментов.Приэтомизменяетсясинтезсоединений —вторичных носителей информации (цАМФ, цГМФ), что приводит к изменению деятельностиклетки(открываниеилизакрываниеионныхканалов,меE тилирование, фосфорилирование, увеличение синтеза ДНК и т. д.).

1.9. Деление клетки

Деление клеток — увеличение числа клеток в результате их размноE жения путем деления исходной клетки. Согласно одному из положеE ний клеточной теории, «клетки образуются только из клеток», что исE ключает «самозарождение» клеток или их образование из неклеточноE го«живоговещества».Известнытритипаделенияклеток:митоз,амитоз, мейоз. Митоз и амитоз характерны для соматических клеток (клетки тела) всех эукариот. Мейоз осуществляется при образовании половых клеток у животных. Одни клетки делятся часто и постоянно (наприE мер, клетки эпителия, красного костного мозга, надкостницы). Другие клетки, однажды возникнув, больше не делятся и живут столько же, сколько весь организм (например, клетки нервной системы, мышечE ныеклетки).Чемвышеспециализацияклеток,темнижеихспособность делиться.

Митоз — основной способ деления клеток (рис. 8).

28

Телофаза

Ядро полностью разделилось. Образовалась ядерная оболочка. Цитоплазма делится образованием перетяжки

Рис. 8. Митоз

Митоз открыт с помощью светового микроскопа в 1874 г. русским ученымИ.Д. Чистяковымврастительныхклетках.В1878г.В. ФлеминE гом и русским ученым И.П. Перемежко этот процесс обнаружен у жиE вотныхклеток.Уживотныхклетокмитоздлится30–60минут.Митоз — это деление ядра, он состоит из четырех фаз: профазы, метафазы, анаE фазы и телофазы. Профаза — первая фаза деления, в которой двухроE матидныехромосомыспирализуютсяистановятсязаметными.ЯдрышE ки и ядерная оболочка распадаются, образуются нити веретена делеE ния. Метафаза — фаза скопления хромосом на экваторе клетки; нити веретена деления идут от полюсов и присоединяются к центромерам хромосом: к каждой хромосоме подходят две нити, идущие от двух поE люсов. Анафаза — фаза расхождения хромосом, в которой центромеры делятся, а однохроматидные хромосомы «растаскиваются» нитями веE ретена деления к полюсам клетки. Это самая короткая фаза митоза. Те лофаза — фаза окончания деления; движение хромосом заканчиваетE ся, и происходит их деспирализация (раскручивание в тонкие нити), формируется ядрышко, восстанавливается ядерная оболочка, нити веE ретена деления растворяются. В результате митоза из одной диплоидE ной клетки, имеющей двухроматидные хромосомы (2 n) и удвоенное количество ДНК (2 c), образуются две дочерние диплоидные клетки

29

с однохроматидными хромосомами и одинарным количеством ДНК. Это соматические клетки (клетки тела) организма растения, животноE го и человека.

Значение митоза:

1)точнаяпередачанаследственнойинформациидочернимклеткам;

2)увеличение числа клеток в организме, т. е. один из главных мехаE низмов роста;

3)способбеспологоразмноженияорганизмовирегенерацииклеток. Для осуществления митоза в клетке формируется митотический

аппарат, в состав которого входят центросомы, центральное веретено, кинетохорные участки хромосомы.

Центросома — совокупность центриолей и окружающих их струкE тур, локализованных в клеточном центре.

Центриоли — цилиндрические структуры, стенку которых форE мирует 9 триплетов микротрубочек, соединенных между собой связE ками. У многоклеточных две центриоли — материнская и дочерняя, располагающиеся в интерфазе перпендикулярно друг другу. СостоE ят центриоли из протофиламентов, белка тубулина, аморфного веE щества.

Митотическое веретено —микротрубочки:полостные,прикрепляE ются к центросомам, кинетохорные, астральные — нити сияния, расE ходятся радиально от клеточных центров по направлению к плазматиE ческоймембране. В составвходят марганец, кальций,белки: кальмодуE лин, кальнаин и т. д.

Кинетохоры — трехслойные диски диаметром 0,2–2,0 мкм, формиE рующиесявобластицентромерногоучасткахромосомы.СостоятизбелE ков сходных с гистонами, тубулиноподобных белков, внутренних ценE тромерных белков, цитоплазматического динеина и кинезина.

Кинетохора обеспечивает механические процессы: в анафазе — кинетохорные участки хромосомы «шагают» по кинетохорным микротрубочкам, а освобождающиеся концы микротрубочек подвергаются деполимеризации. Полюсные микротрубочки — каркас для перемещения хромосом.

Мейоз — способ деления диплоидных клеток, в результате которого набор хромосом уменьшается вдвое и становится гаплоидным, поэтоE му мейоз называется еще редуцированным делением. При этом из одE ной клетки образуются четыре дочерние (рис. 9).

Особенностью мейоза является также обмен участками хромосом, а следовательно, и ДНК между хроматидами парных хромосом, прежде чем они разойдутся в дочерние клетки. Мейоз состоит из двух последоE вательных делений ядра и короткой интерфазы между ними. Первое де ление — наиболее сложный и важный этап. Он подразделяется на фазы:

30