Молекулярная структура и функции основных компонентов клетки

ж) участвуют в процессах преобразования энергии пищевых органических веществ в энергию химических связей молекул АТФ.

з)генерируют биоэлектрические потенциалы и проводят возбуждение - транспортные системы обеспечивают возникновение разности биоэлектрических биопотенциалов по обе стороны мембраны, а проведение возбуждения обеспечивают ионные каналы.

и) учавствуют в клеточном метаболизме - мембраны разделяют цитоплазму на отсеки (компартменты), в которых идут разнообразные реакции обмена веществ.

Гликокаликс

Это вторая часть клеточной оболочки. Гликокаликс представлен углеводными концами сложных белков (гликопротеинов) и сложных липидов (гликолипидов), входящих в состав наружной биомембраны - плазмолеммы. В гликокаликсе расположены периферические белки наружной поверхности мембраны и часть некоторых интегральных белков. Эти белки могут быть ферментами или рецепторами. Сюда же относятся иммуноглобулины.

Гликокаликс составляет в толщину от 4 до 200 нм в зависимости от вида клетки и участка плазмолеммы и выполняет следующие функции: рецепторную (распознавание молекул соседних клеток и межклеточного вещества), обеспечение межклеточных контактов и взаимодействия, ориентацию белков в мембране, участие в транспорте веществ.

2. Подмембранный слой опорно-сократительных структур

Это третий компонент клеточной оболочки. В его состав входят сократительные структуры - актиновые филаменты и опорный аппарат - кератиновые филаменты, микротрубочки . Подмембранный слой тесно связан с одной стороны с цитоскелетом клетки, с другой - с рецепторами гликокаликса.

Функции подмембранного слоя: поддержание формы клетки, создание ее упругости, участие в эндо-, и экзоцитозе. фагоцитозе, движении, секреции.

2.1 Понятие о циторецепторах

Для завершения описания структуры биомембран следует остановится на характеристике циторецепторов.

Слаженная работа организма обеспечивается постоянным обменом различной информацией между клетками. Для передачи информации в эукариотической клетке имеются специальные молекулы, обеспечивающие передачу информации из клетки в клетку. Эти молекулы называется межклеточными сигнальными веществами. К ним относятся гормоны, нейромедиаторы и гистогормоны. Для восприятия определенных сигнальных веществ каждая клетка активирует набор рецепторов.

Рецепторы представляют собой белковые молекулы на поверхности мембран, цитоплазме и ядре, которые специфически реагируют с лигандами, которыми являются вышеупомянутые нейромедиаторы, гормоны, факторы роста, цитокины, воспринимающие сигналы и передающие его внутрь клетки. Будучи полярными молекулами, они не могут проникнуть во внутрь клетки и оказывают свое действие через систему посредников и внешних рецепторов. Сигнальные молекулы связываются с рецепторами и активируют их; в ответ на активацию рецептора в клетке синтезируется внутриклеточные медиаторы - вторичные посредники (вторичные мессенджеры), которые усиливают сигнал и передают его к специальным белкам в цитоплазме. В ответ на действие сигнала изменяется активность этих белков; те в свою очередь регулируют активность определенных ферментов обмена веществ, структурных белков или генов, что и является конечным эффектом, который должен был возникнуть в клетке на действие сигнала. В соответствии со своей локализацией рецепторы делятся на поверхностные и внутриклеточные, а последние - на цитоплазматические и ядерные.

Поверхностные рецепторы образованы поверхностными периферическими мембранами и гликокаликсом. Их роль заключается в том, чтобы обеспечить сигнальное действие на клетку веществ, которые не могут пройти через мембрану и действует через систему рецепторов и вторичных мессенджеров.

Поверхностные рецепторы делятся на:1-каталитические рецепторы; 2 -рецепторы,связанные с ионными каналами, 3 - рецепторы, связанные с G -белками и 4 - рецепторы, связывающие молекулы внеклеточного матрикса с цитоскелетом.

Каталитические рецепторы. У этих рецепторов гликокаликс имеет разветвленные моно-, или олигосахаридные участки «антенны», которые могут связываться с различными химическими веществами, распознавая их. Кроме нейромедиаторов, гормонов, факторов роста, цитокинов, ими могут быть генетически чужеродные вещества и др.

Рецепторные поверхностные белки и углеводные участки гликокаликса связаны с цитоплазматическими ферментами. Рецепторные белки, являясь трансмембранными белками, состоят из рецепторного и каталитического участков. Активация рецепторов лигандами, приводит к изменению их конформации и, соответственно, к образованию вторичных посредников (мессенджеров) которые передают внешний сигнал в клетку, изменяя ее метаболизм, регулируя обмен веществ и процессы синтеза.

Рецепторы, связанные с ионными каналами. Во всех клетках имеются ионные каналы, которые регулирует прохождение через мембрану специфических ионов. Ионные каналы образованы интегральными мембранными белками, которые играют также роль рецепторов. Взаимодействие лигандов с определенными доменами этих белков приводит к открытию канала и проведению определенных ионов (Na⁺; Ca²⁺; K⁺; Cl^-); открытие канала может быть результатом изменения мембранного потенциала клетки и т.д. Такие рецепторы могут изменять проницаемость мембран для ионов, что приводит к появления электрического импульса (рецепторы к нейромедиатором, сигнальным веществам, участвующим в передаче сигнала в нервных клетках).

Рецепторы, связанные с G-белками (внутриклеточные гуанозин трифосфатазы - ГТФазы). G-белки -это крупное семейство тримерных белков, состоящих из трех субъединиц: б, в и г, нековалентно связанных между собой. Каждая субъединица участвует в переносе различных сигналов к внутриклеточным молекулам. Рецепторы, связанные с G-белками относятся к политопным белкам (см. Белки); N-концевой участок внеклеточного домена находятся на наружной поверхности мембраны и взаимодействует с лигандами и физическими факторами (свет), трансмембранный домен семь раз прошивает мембрану, цитоплазматический домен содержит участки связывания с G-белками. Рецепторы этого семейства реагируют на различные лиганды (рис.). Существует сотни форм G-белковых рецепторов и физиологических эффектов, вызванных ими (табл.). Вторичными мессенджерами выступает циклический аденозинмонофосфат и молекулы кальция. 20 различных форм б-субъединиц G-белка, сгрупированных в 4 класса активирует или ингибируют целый ряд эффекторных молекул: аденилатциклазу, фосфолипазуС, фосфолипазу А₂, киназу, опосредует закрытие Са⁺-каналов и др.

Рецепторы, связывающие молекулы внеклеточного матрикса с цитоскелетом. К таким рецепторам относятся интегрины, которые являются трансмембранными белками и состоят из 2 субъединиц: б и в. Каждая субъединица -это трансмембранный гликопротеин 1-типа. Семейство интегринов содержит 20 видов рецепторов, которые могут связываться с каким-либо одним веществом внеклеточного матрикса (фибронектином, ламинином и др.) или взаимодействовать с несколькими белками, обеспечивая передачу сигнала от внеклеточного матрикса к цитоскелету. Так, интегрин воспринимает сигналы от белка внеклеточного матрикса фибронектина и связывается при помощи ряда белков с цитоскелетом. При раздражении этого рецептора изменяется состояние цитоскелета и клетка приходит в движение, либо начинается эндо-, экзоцитоз и другие виды деятельности клетки, связанные с цитоскелетом.

Каждая клетка имеет тысячи рецепторов, которые подразделяются на семейства и весьма специфичны. Например, число белков семейства обонятельных рецепторов исчисляется тысячами. Человек может различить до 10.000 пахучих молекул и ,соответственно, имеет такое же количество рецепторов запаха.

При этом большинство поверхностных рецепторов имеют сходные черты строения и свойства доменов. Поверхностные рецепторы имеют три домена: внеклеточный или эктодомен, трансмембранный домен (моно- или политопный), цитоплазматический домен с ферментными центрами.

Внеклеточный домен содержит участок связывания с сигнальной молекулой - лигандом. Это самая большая часть белка, выступающего над наружным слоем мембраны, содержит несколько олигосахаридных цепей (подобно гликофорину) и аминокислотную последовательность, богатую лейцином и пролином. Внеклеточный домен узнает различные внешние сигналы.

Трансмембранный домен в зависимости от вида рецептора делится на два типа: трансмембранные домены политопных и монотопных белков.

У политопных белков он пересекает мембрану семь раз; такие рецепторы называется серпантинными. Политопные белки-рецепторы использует G-белки - белки, связывающие гуанозин-трифосфаты (ГТФ) в качестве начального активирующего субстрата. G-белки - это универсальные посредники при передаче сигналов от рецепторов к белкам мембраны, которые катализируют образование вторичных посредников гормонального сигнала, изменяя метаболизм клетки: усиливая или ослабляя его. К таким рецепторам относятся рецепторы инсулина, факторов роста и др.

У монотопных белков трансмембранный домен один, связи с G-белком нет; некоторые имеют собственные ферменты в цитоплазме, которые активирует его.

Цитоплазматический домен - участок белка, расположенный в цитоплазме и имеющий каталитический (активирующий) центр, в котором лиганд, через трансмембранной домен, вызывает конформационные перестройки с образованием новых реакционных центров для связи с внутриклеточными вторичными мессенджерами. У рецепторов, связанных с G-белками, именно цитоплазматический домен связан с G-белками. После связи рецептора с лигандом, сигнал передается через трансмембранный домен на цитоплазматический , изменяя его конформацию, что в свою очередь, приводит к изменению цепей G-белка, а именно, б-цепь, связанная с ГТФ отсоединяется от в- и г-цепей и цитоплазматического домена, активирует фермент аденилатциклазу, которая синтезирует вторичный посредник (мессенджер) циклический аденозинмонофосфат (цАМФ). Через рецепторы, связанные с G-белками передаются сигналы с большинства гормонов и нейромедиаторов. Дефекты этих рецепторов приводят к возникновению ряда болезней (табл.)

Внутриклеточные рецепторы находятся на мембранах органелл (цитоплазматические рецепторы) и ядра (ядерные рецепторы) клетки. Они предназначены для восприятия сигнальных веществ, которые в силу своей неполярности легко проникают в клетку. К ним относятся стероидные гормоны, витамины Д₃,гормоны щитовидной железы. Эти лиганды регулируют развитие и дифференцировку клеток, а также метоболизм органа в целом. Например, ядерные рецепторы состоят из 2 участков: участок связывания с сигнальным веществом - лигандом (гормоны, витамины и др.) и участок связи с молекулой ДНК ядер.Рецепторы стероидных гормонов находятся в цитоплазме в составе шаперонов, включающих белки теплового шока hsр 90. После связывания лиганда(гормона) с рецептором высвобождаются белки теплового шока, а лиганд-рецепторный комплекс транспортируется в ядро, где связывается с определенной последовательностью ДНК в промоторах генов, активируя его активность. Внутриклеточные рецепторы находятся на мембранах других органелл, например, на мембранах митохондрий.

Таким образом, в ответ на поступление сигналов из вне в клетке активируется набор рецепторов. Клетка отвечает лишь на тот сигнал, для которого в ней имеется рецептор. Набор рецепторов может меняться в процессе роста и дифференцировки клетки. Если в клетке отсутствуют определенный рецептор, клетка не может генерировать соответствующий ответ. Способность клетки выполнять или не выполнять ту или иную функцию зависит от того имеется или нет у нее соответствующий рецептор. Активация или утрата рецептора - это запрограммированные процессы клеточной деятельности.

2.2 Цитоплазма и внутриклеточные органеллы

Цитоплазма(греч.kytos- вместилище, plasma-оформленное) - это внутренняя среда клетки. Термин «цитоплазма» предложен Е. Страсбургером в 1882г.

Под цитоплазмой понимают внеядерную часть клетки, ограниченную от окружающей среды плазматической мембраной. Содержимое клетки вместе с ядром называется протоплазмой. В цитоплазме проходят важнейшие метаболические процессы: поглощение из внешней среды воды, ионов и др. веществ, синтез белков и продуктов небелковый природы, образование энергии, дыхание и др. процессов обмена веществ.

Цитоплазма состоит из трех компонентов: гиалоплазмы, органоидов и включений. Вся цитоплазма пронизана системой биомембран, которые разграничивают ее на изолированные отсеки (компартменты). Это обеспечивает возможность: 1-локализации обменных процессов (разделение процессов синтеза и распада); 2- координации взаимодействия органоидов; 3-эффективности работы ферментных систем. Таким образом, создаются условия для функционирования цитоплазмы, как целостной системы, обеспечивающей жизнедеятельность клетки.

Гиалоплазма - это основная (55%) часть цитоплазмы, в которой проходят клеточные обменные процессы и поддерживается клеточный гомеостаз. Ее называют так же цитозолем, клеточным соком или клеточным матриксом. Гиалоплазма поддерживается цитоскелетом , имеет вид однородного стекловидного вещества и является коллоидной системой. Коллоидные системы или коллоиды (греч.kolla-клей + eidos-вид) - это дисперсные (лат.dispersus - рассеянный) системы, состоящие из относительно крупных частиц размером 0,001-0,1 мкм (дисперсная фаза) и средой (дисперсионная среда), в которой они распределены. Дисперсной фазой в биоколлоидах являются белки, нуклеиновые кислоты, углеводы и др. биологически активные вещества; дисперсной средой является вода. Гиалоплазма обладает способностью изменять свое физико-химические состояние, переходя из состояния золя (жидкое состояние) в гель (почти твердое состояние), так называемые переходы золь гель, причем разные ее участки могут находится либо в состоянии золя (жидком), либо - геля (плотном). В процессе этого перехода совершается работа, в результате которой происходят различные клеточные превращения: образование мембран, сборка молекул цитоскелета. При этом меняется форма клеток, ее подвижность и обмен веществ. Биоколлоиды составляют ту основу, без которой невозможно существование всего живого, обладают свойствами, обеспечивающими прохождение различных биохимический реакций и имеют сложную дисперсную фазу (органические вещества), образованную гомогенным мелкозернистым веществом с низкой электронной плотностью.

В состав гиалоплазмы входят: вода (60-70%), белки, липиды, полисахариды, нуклеиновые кислоты, неорганические вещества, растворимые газы, промежуточные продукты метаболизма сахаров, липидов, белков и нуклеиновых кислот.

Гиалоплазма выполняет следующие функции: метаболическую (обмен жиров, белков и углеводов), формирование жидкой микросреды (матрикс клетки) и участие в движении клетки, обмене веществ и энергии.

Органеллы - важнейший компонент клетки, структуры клетки, имеющие строго определенное строение и функции.

По функциональному признаку органеллы делятся на: 1- органеллы общего значения - содержатся во всех клетках. К ним относятся митохондрии, эндоплазматическая сеть (ЭПС), комплекс Гольджи (КГ), центриоли, рибосомы, лизосомы, пероксисомы, микротрубочки и микрофиламенты; 2- органеллы специального значения - имеются в клетках, выполняющих специальные

функции. Это миофибриллы, нейрофибриллы, реснички и жгутики.

По структурному принципу органеллы делятся на мембранные (митохондрии, ЭПС, КГ, лизосомы, пероксисомы) и немембранные. Последние в свою очередь делятся на: фибриллярные (микротрубочки, микрофилламенты, реснички, жгутики, центриоли) и гранулярные (рибосомы, полисомы)

Органеллы являются динамическими структурами; могут изменять размеры, но не формируются de novo. Для их образования необходима информация в виде рудимента или матрицы от существующей органеллы. Каждая органелла занимает место в гиалоплазме, оптимальное для выполнения его специализированной функции.

Движение веществ из органеллы в органеллу происходит по определенным путям и принципам и представляет поток белков и пузырьков (везикул).

Мембранные органеллы окружены биомембранами, сходными в основных чертах, а именно белково-липидным бимолекулярным слоем, различающимся лишь по составу белков и липидов.

2.3 Мембранные органеллы

Эндоплазматическая сеть (ЭПС) или ретикулюм (рис.) - мембранная органелла, описанная впервые в 1945 году К.Портером. Это система каналов, вакуолей, цистерн (мешочков), расположенная вблизи ядра и образующая непрерывную сеть, ограниченную от гиалоплазмы мембранами, более тонкими и подвижными, чем плазмолемма. Кроме того, мембраны ЭПС содержат белка больше, чем мембраны других органелл из-за многочисленных ферментных систем и практически не содержат холестерина. Белки практически лишены боковых углеводных цепочек. Это единый непрерывный компартмент (отсек), образующий складки, впячивания, которые видны на срезах как трубочки, пузырьки и цистерны. От него отшнуровываются транспортные пузырьки (везикулы), которые несут новосинтезированные белки к комплексу Гольджи для модификации и сортировки.

Различают два вида ЭПС: гранулярную (шероховатую) и агранулярную (гладкую)(рис.). В полости ЭПС проходят процессы синтеза белка, липидов; гидроксилирование, сульфатирование, фосфорилирование, глюкозирование, фолдинг белка, сборка субъединиц. Нарушение любого из этих процессов приводит к задержке белка в полости и его разрушению.

В ЭПС проходят процессы синтеза белка, липидов; гидроксилирование, сульфатирование, фосфорилирование, глюкозирование, фолдинг белка, сборка субъединиц. Нарушение любого из этих процессов приводит к задержке белка в полости и его разрушению. В полостях ЭПС содержатся большие количества внутриполостных ферментов, в том числе:

1. Протеин дисульфидизомераза (ПДИ) - фолдаза, обеспечивающая образование правильных дисульфидных связей между цистеиновыми остатками, в процессе фолдинга секреторных и мембранных белков;

2. Кальций - содержание Са²⁺ в полостях ЭПС очень высоко (5 ммоль), т.к. ЭПС является основным кальциевым депо клетки;

3. Шапероны - ферменты фолдинга, из которых в ЭПС содержатся белки семейства hsp 70 и hsp 90, связывающий белок Вip, Grp-94, пептидилпролилизомераза (ППИ). Шапероны обеспечивают правильный фолдинг белка, предотвращают агрегацию промежуточных продуктов. Белки, преобретающие нативную структуру с задержкой или вообще неправильно сворачивающиеся, остаются связанными с шаперонами, не удаляется из ЭПС и подвергаются разрушению;

4. Кальнексин - белок с молекулярной массой 88кДа, является интегральным ЭПС-белком с каталитическим доменом, обращенным в полость ЭПС. Его функция -контроль за правильным фолдингом белка и удерживание неправильно свернутых белков в полости ЭПС.

5. Кальретикулин - Са²⁺- связывающий белок(46 кДа) с двумя Са²⁺ - связывающими доменами. Этот белок выполняет несколько функций: содержит ядерную сигнальную последовательность, обеспечивающую связывание стероидных рецепторов с молекулами ДНК; действует как интегринсвязывающий белок (интегрины -белки адгезин клетки) и др.

Гранулярная ЭПС (рис.) содержит на своей поверхности со стороны гиалоплазмы рибосомы(рис.), которые связываются с ЭПС с помощью причального белка - doking protеin и становятся мембраносвязанными, но только в процессе трансляции. Отдельные субъединицы рибосом с ЭПС никогда не связаны.

Функциями гранулярной ЭПС являются: 1 - синтез белков и липидов всех мембран; 2 - синтез «экспортных» (предназначенных к выделению из клетки) и лизосомных белков (остальные, «внутренние» белки -белки митохондрий, ядра и гиалоплазмы синтезируется на свободных рибосомах в гиалоплазме); при этом «экспортные» белки синтезируются на одном участке ЭПС, мембранные - на другом, лизосомальные - на третьем); 3 -первоначальная сортировка и модификация белков; 4 - образование везикулярных пузырьков, транспортирующих вновь синтезированные белки в аппарат Гольджи и лизосомы.

Процессы, происходящие в ЭПС можно разделить на следующие этапы:

1- синтез белков и липидов мембран, экспортных и лизосомальных белков;

2-первичная сортировка белков ЭПС;

3-модификация белков и липидов;

4-«упаковка» белков и липидов в транспортные пузырьки - везикулы.

Синтез белков на гранулярной ЭПС начинаются со связывания свободной рибосомы, уже начавшей трансляцию белка в гиалоплазме с мембранной ЭПС (рис.).

Все белки, которые будут синтезироваться в гранулярной ЭПС имеют определенную последовательность аминокислот, с которой начинается белок. Эта последовательность называется сигнальной (СП) или последовательность начала переноса, находится на N-конце пептидной цепи и состоит из 15-35 аминокислот. После окончания синтеза пептида СП отщепляется специальной пептидазой (рис.).

После того, как на свободной рибосоме будет образована СП пептида, специальные СП - узнающие частицы (SRР) в гиалоплазме узнают СП и связываются с ней. В результате этого связывания синтез пептида в гиалоплазме останавливается. Образуется комплекс м-РНК - рибосома -СП - SRР. Этот комплекс связывается с doking- белком (SRP-R). Docing- белок (от анг. to dock -состыковывать) - это гетеродимер, состоящий из 2 субъединиц: б и в и называет также причальным белком. Он находятся на цитоплазматической поверхности мембраны ЭПС и является рецептором распознавания СП-узнающей частицы ЅRР.

ЅRР-частицы состоят из 7Ѕ молекулы РНК и 6 полипептидов (7,14,19,54,68, и 70 кДа). Кроме того что ЅRР-частица узнает СП- белка, ее РНК узнает определенный участок транслируемой м-РНК и, тем самым, определяет место прикрепления свободной рибосомы к мембране. Таким образом, ЅRР-частицы: 1- распознают СП-белка, транслируемого на свободных рибосомах; 2- временно прекращают трансляцию; 3- участвуют в перемещении комплекса и-РНК- рибосома-СП к мембране ЭПС. При этом осуществляется первый этап сортировки белков, который включает два этапа: 1-из числа транслируемых в цитоплазме белков отбираются (с помощью СП и ЅRР-частиц) те, дальнейшая трансляция которых будет продолжаться в ЭПС. Это мембранные белки, белки «на экспорт», лизосомальные белки; 2- определятся место трансляции в ЭПС и, тем самым, ее дальнейшая судьба, а именно, станет ли он мембранным белком, белком «на экспорт» или лизосомальным белком.

Комплекс м-РНК-рибосома -СП- ЅRР-частица направляется к мембране ЭПС и связывается с doking-белком. Это связывание вызывает активацию ГТФаз полипептида ЅRР-54, ЅRР-частицы и субъединиц doking-белка. В результате этого ЅRР-частица отсоединяется от комплекса м-РНК-рибосома-СП и рибосома комплекса прикрепляется к мембране на участке расположения транслокона.

Транслокон - это комплекс интегральных трансмембранных рибофоринов, которые специфически взаимодействуют с большой субъединицей рибосомы и формируют при участии рибосомы гидрофобные трансмембранные водные каналы для транспорта синтезируемого полипептида в просвет ЭПС. Поэтому комплекс рибофоринов транслокона и рибосомы называется полипептид-транслирующей порой.

Сразу после освобождения ЅRР-частицы, переноса комплекса м-РНК -рибосома-СП происходит проникновение СП белка в липидный бислой соединение его с гидрофобными участками мембран ЭПС и возобновление транслокации полипептида, но уже в мембраносвязанных рибосомах. СП остается фиксированной в области транслокона и все удлиняющийся пептид, втягивается через пору в полость ЭПС, образуя там петлю. При этом перемещается не рибосома, связанная с ЭПС, а мPНК. Вновь синтезированный пептид имеет двойную фиксацию: на мембране ЭПС с N-конца через СП и с С-конца к рибосоме. После окончания трансляции пептид отсоединяется сначала с С-конца от рибосомы, затем с N-конца от мембраны с помощью специального фермента протеазы, отщепляющей СП от пептида. СП высвобождается из мембраны и расщепляется другими протеазами в полости ЭПС. Вновь синтезированный пептид поступает в полость ЭПС, где происходит его фолдинг при участии фолдаз ПДИ (протеиндисульфидизомераза), ППИ (пептидилпролилизомераза) и шаперонов hsp70 и hsp90, Grp94. Если фолдинг белка происходит неправильно, то белок кальнексин сохраняет его в ЭПС, предотвращая высвобождение неправильно свернутых белков.

После первичной сортировки и завершения трансляции в ЭПС некоторые белки для завершения созревания должны быть модифицированы. Большинство белков, синтезированных в ЭПС в зрелом состоянии являются гликопротеинами, то есть белками, содержащими углеводный компонент. Поэтому после завершения трансляции, они подвергаются гликозилированию при переносе в полость ЭПС. Гликопротеинами является некоторые белки плазмы (экспортные белки), мембранный белок эритроцитов гликофорин, белки переносчики - транслоказы, поверхностные рецепторы плазмолеммы, почти все лизосомальные ферменты. Углеводный компонент этих белков образуется в результате гликозилирования белков путем переноса олигосахаридов, которые синтезируются на мембрано-связанных липидах долихолфосфатах. Синтез начинается в гиалоплазме, продолжается в полостях ЭПС и завершается в цистернах аппарата Гольджи.

В гиалоплазме синтезируются одинаковая для всех белков олигосахаридное «ядро». В него входят 2 остатка N-ацетил-глюкозамина, 9 остатков маннозы и 3 остатка глюкозы. Синтез происходит путем присоединение маносахаридных остатков к долихолфосфату, который будучи мембранных липидом, перескакивает через мембрану и выходит на ее поверхность, обращенную в гиалоплазму. Заверщенный комплекс - долихол-фосфат-олигосахарид является гидрофобным и легко проходит через мембраны в полость ЭПС. Специальная трансфераза в полости ЭПС переносит олигосахаридные ядро на синтезируемый полипептида, присоединяя его только к аспарагину, входящему в состав последовательности Asp-x-Ser или Asp -x-Thr через амидную группу (-NН₂-СО-), поэтому процесса называется N-гликозилированием. В результате белки приобретают одно или несколько олигосахаридный ядер. Процесс переноса углеводного компонента может быть нарушен двумя антибиотиками: туникомицином (блокирует присоединение к долихолфосфату первого углеводного остатка, останавливая гликозимерование) и бацитроцинаф (блокирует превращения долихолфосфата), которые нарушают процесс синтеза гликопротеинов.

Еще один вид модификации белков, синтезируемых на мембранах ЭПС - это гидроксилирование остатков пролина и лизина в коллагене, с образованием 4-гидроксипролина и 5-гидроксилизина. Гидроксилирование этих остатков осуществляется ферментами пролилгидроксилазы и лизилгидроксилазы при участии аксорбиновой кислоты. Коллоген, синтезируемый в отсутствии аксорбиновой кислоты не может образовывать нормальные по структуре волокна, что приводит к поражению кожи, ломкости сосудов и т.д., что является признаками цинги.

И, наконец, последний этап процессов, связанных с синтезом белков и липидов, происходящий в ЭПС - «упаковка» этих молекулы в транспортных пузырьки.

Транспортные пузырьки представляют собой основное средство передвижения белков и липидов в клетке. Белки и липиды мембран, синтезированные в ЭПС входят в состав мембраны транспортного пузырька, а в полости пузырька транспортируется секреторные и лизосомальные белки, доставляемые в другие органеллы. То есть, транспортный пузырек переносит и мембранные белки и липиды и остальные, синтезируемые в ЭПС молекулы.

Пузырьки образуется из мембраны одной органеллы, называемой донором, и перемещаются к другой органелле, называемой акцептором, где происходит слияние мембран пузырька с мембраной акцептора, то есть, мембраны донора и мембраны акцептора. Таким образом происходит обновление мембран органеллы - акцептора. Мембранные белки и липиды, синтезируемые в ЭПС образуют фрагмент всех мембран клетки и транспортируются в составе мембран пузырьков к органелле -акцептору и плазмолемме.

В процессе перемещения транспортных пузырьков от ЭПС к аппарату Гольджи постоянно осуществляется два направления транспорта веществ:

1 - растворимые грузовые белки перемещаются от ЭПС к аппарат Гольджи по секреторному пути. Такой транспорт называется антероградным;

2 - определенные белки и липиды возвращается из аппарата Гольджи в ЭПС. Этот транспорт называется ретроградным.

Раздельный транспорт в противоположных направлениях обеспечивается двумя белковым комплексами, образующими кайму вокруг пузырька, и называющимся коатомерами или GOPs. Ретроградный транспорт обеспечивается восемью субъединицами белка, образующего протеиновую кайму - СОР І, а антеградный - 5 субъединицами белка СОР ІІ. Оба комплекса белков образуются в цитоплазме и связываются с транспортными пузырьками.

Вновь образованные пузырьки направляются от ЭПС к аппарату Гольджи, а оттуда к различными органеллам. Для обеспечения правильного направления каждый пузырек снабжен специальной рецепторной молекулой, называемой Ловушка-п. Акцепторная мембрана органеллы, куда должен транспортироваться пузырек имеет рецептор, который связывается с Ловушкой-п и называется Ловушкой-ц (целевая мембрана).

Ловушки обеспечивают правильную доставку пузырьков при участи белка слияния (фузинного белка) - Rab, который состыковывает обе ловушки.

Транспортные пузырьки, образующиеся на ЭПС имеют диаметр 500А⁰, окружены оболочкой, имеющей решетчатую структуру и состоящей из белка клатрина. Такие пузырьки называется окаймленными и переносят мембранные ,секреторные и лизосомальные белки от ЭПС к аппарату Гольджи и дальше в целевые акцепторные органеллы. Окаймленные пузырьки транспортируют белки и липиды от плазмалеммы в внутренним мембранами; транспортные белки, факторы роста, инсулин, цитокины в другие части клетки.

Клатрин состоит из трех крупных и трех менее крупных полипептидов. Субъединицы представляют собой структуру, состоящую из трех «ног» - трискелион (skelas). Трискелионы соединяются с образованием шестигранной ячейки, но не плоской, а куполообразной; ячейки собираются вместе, образуя решетчатую структуру. Постепенно мембрана в месте расположения клатриновой решетки начинает выпячиваться, образуется окаймленная ямка, края которой смыкаются с образованием окаймленного пузырька. Пузырек образуется в местах высокой концентрации белков и липидов внутри ЭПС и содержит высококонцентрированный раствор белков. Таким же образом образуются транспортные окаймленные пузырьки на плазмалемме в процессе эндоцитоза.

Далее пузырьки диффундируют к комплексу Гольджи и сливаются с его мембранами, а белки попадают в его полости.

После завершения синтеза белков на мембраносвязанных рибосомах, их первичной сортировки и модификации в ЭПС, дальнейшая их судьба различается:

1 - все интегральные белки мембран клетки синтезируются в ЭПС. Будущие интегральные белки мембран отсортировываются еще в процессе трансляции. Считают, что они не протягиваются через транслокон (пору) в полость ЭПС полностью, а так и остаются фиксированными на ней. Это происходит благодаря наличию особой аминокислотной последовательности в средней части полипептида - последовательности задержки (ПЗ) или последовательности окончания переноса. Она не распознается сигнальной протеазой и не отщепляется, закрепляя удлиняющийся белок в мембране и становится трансмембранным доменом монотопного белка. Это прекращает перенос пептида, но не останавливает его трансляцию. В этом случае после отщепления СП N-конец пептида оказывается в полости ЭПС, а С-конец на поверхности мембран. Таким образом, фиксируются монотопные белки мембраны. Для политопных белков число СП на N-конце (последовательность начала переноса) и ПЗ (последовательность окончания переноса) может быть несколько. В этом случае, синтезирующийся белок «прошивает» мембрану несколько раз. Таким образом, синтезируются интегральные мембранные белки. В дальнейшем они вместе с участкам окружающей их мебраны формируют транспортный пузырек - везикулу и доставляются к другим органеллам клетки: а) от ЭПС к аппарату Гольджи , где продолжается процесс их модификации и сортировки, затем они оказываются его мембране; б) в транспортных пузырьках от аппарата Гольджи к плазмалемме, лизосомам, пероксисомам и другим органеллам.

Направление транспорта всех белков, и мембранных и секретируемых ,определяется наличием у белков адресных маркеров, благодаря которым эти вещества концентрируется в определенных местах полостей аппарата Гольджи, имеющих рецепторы узнавания этих меток и, соответственно, образующих здесь везикулы, транспортируемые в целевые участки клетки. При транспорте везикулярных пузырьков сохраняется полярность мембран. Так, внутренняя поверхность мембран везикул соответствует внутренней стороне мембраны ЭПС ,аппарата Гольджи и лизосом, но наружной поверхности плазмолеммы;

2 - внутриполостные белки, фолдазы,шапероны, ферменты гликозилирования и гидроксилирования случайно попавшие в пузырьки содержат последовательность возврата-задержки(КDEL), которая состоит из 4 аминокислот: -Лиз-Асп-Глу-Лей-. При попадании в аппарат Гольджи такие последовательности распознаются особыми возвращающими рецепторами аппарата Гольджи, собираются в специальные пузырьки и перемещаются обратно в ЭПС. Такие пузырьки называются ретроградными, а белки - полостными белками ЭПС. Процесс возврата пузырьков называется ретроградным транспортом.

3 - в случае нарушения фолдинга белков синтезируемых в ЭПС, происходит их удаление из транспортного пузырька, затем разрушение в полостях ЭПС.

4 - белки на «экспорт» и лизосомальные белки также в составе транспортных пузырьков переносятся в аппарат Гольджи, модифицируются и направляются к месту выполнения ими своих функций: либо в лизосомы, либо в другие участки клетки. Эти белки также имеют адресные сигналы, обеспечивающие их направленный транспорт.

В ЭПС синтезируются также мембранные липиды. Ферменты, обеспечивающие синтез липидов - это интегральные мембранные белки ЭПС. Для перевода жирных кислот в растворимую форму используются особые белки - ацилпереносящие белки (АСР). Новые липиды, синтезированные на поверхности мембраны ЭПС, обращенной к гиалоплазме, свободно диффундируют в плоскость бислоя и смешиваются с липидами наружного слоя мембраны. Особые ферменты мембраны ЭПС - флиппазы - перемещают вновь синтезированные липиды во внутренний слой мембраны.

Липиды для других мембран клетки транспортируются из ЭПС двумя механизмами:

1. Везикулярный транспорт - обеспечивает транспорт липидов к плазмолемме, комплексу Гольджи и лизосомам, путем отпочковывания от мембраны ЭПС пузырьков, содержащих новые липиды и перемещения их сначала к комплексу Гольджи, где они подвергаются модификации, а затем к другим органеллам.

2. Мономерный обмен - процесс прямого переноса липидов от ЭПС к митохондриям, пероксисомам с помощью ферментов обмена липидов (например, фосфотидилхолин).

Гранулярная ЭПС может быть самостоятельной органеллой или переходить в агранулярную ЭПС.

Агранулярная ЭПС (рис.) представляет собой трехмерную сеть каналов, но не содержит рибосом. Место перехода гранулярной в агранулярную ЭПС называется транзиторной частью. Здесь происходит образовывание транспортных пузырков.

Функции агранулярной ЭПС:

1 - разделение цитоплазмы на отделы - компартменты, где происходит своя группа биохимических реакций;

2 - биосинтез жиров и углеводов; стероидных гормонов;

3 - образование пероксисом;

4 - дезинтоксикация ядов, гормонов, лекарств за счет деятельности ферментов;

5 - депонирование ионов Са⁺;

6 - источник мембран для восстановления кариолеммы в телофазе митоза.

Гранулярная и агранулярная ЭПС взаимно переходят друг в друга и функционально связаны между собой переходной или транзиторной зоной.

2.4 Комплекс Гольджи

Это органелла описана в 1898 году итальянским гистологом К. Гольджи. Аппарат Гольджи (КГ) - представляет собой совокупность диктиосом клетки. Диктиосома состоит из 5-10 мешковидных плоских цистерн, сложенных стопкой и расширенных на концах(рис.). Цистерны связаны со множеством пузырьков системой отходящих от них трубочек - канальцев. Диктиосом в клетке может быть несколько десятков; число цистерн в диктиосоме, в зависимости от функций клетки, бывает от 5-6 до множества (клетки печени, поджелудочной железы). При этом диктиосомы связаны друг с другом через систему вакуолей. КГ расположен рядом с ЭПС.

Диктиосома полярна (рис.). Сторона, обращенная к ЭПС называется проксимальной или цис-полюсом. С ней сливаются транспортные пузырьки, перемещающиеся от ЭПС. Пузырьки, содержат липиды и белки, синтезированные в ЭПС. Цис-полюс считается незрелым, формирующимся из ЭПС. Другая сторона, от которой отшнуровываются секреторные пузырьки и лизосомы называется дистальной или транс-полюс. Мембраны цистерн транс-полюса похожи на плазмалемму, цис - полюса практически не отличаются по химический составу от мембран гладкой ЭПС.

Цистерны диктиосомы имеют цис-поверхность и транс-поверхность. Цистерны связаны друг с другом трубочками - канальцами. Пузырьки и трубочки образуют сеть Гольджи: цис-сеть - ближе к ЭПС, промежуточная -в середине и транс- сеть - наиболее удаленная от ЭПС.

На цис-полюсе происходит присоединение транспортных пузырьков, от транс-полюса - отделение пузырьков. Таким образом, от цис-полюса к транс-полюсу постоянно движется поток молекул; в процессе этого движения происходит их биохимическая модификация, связанная с прикреплением углеводных комплексов к белкам и липидам. Все белки, липиды, мембранные компоненты,синтезированные в ЭПС и направляющиеся к лизосомам, пероксисомам, плазмалемме должны проходить через этот комплекс. Поэтому комплекс Гольджи называют углеводной фабрикой клетки.

Функции комплекса Гольджи.

I. Накопление, созревание и конденсация белка и липидов, синтезированных в гранулярной ЭПС; модификация гликопротеинов и гликолипидов. При прохождении белков и липидов через цистерны комплекса Гольджи они претерпевают ряд модификаций, а именно, у белков происходит перестройка углеводного компонента - олигосахаридного ядра. В ЭПС все белки приобретают одинаковое олигосахаридное ядро, которое у разных белков в комплексе Гольджи подвергается изменениям: 1 - почти у всех белков удаляется остаток глюкозы и несколько остатков маннозы; 2 - к некоторым белкам присоединяется галактоза и нейраминовая кислота; 3 - продолжается гликозилирование белков и липидов при участии ферментов гликозидаз и гликозилтрансфераз; 4 - происходит также гликозилирование и сборка протеогликанов -сложных сахаров, прикрепленных к стержневым полипептидам путем ОН- связывания серина или треонина с моносахаридным остатком.

II. Сортировка белков. В комплексе Гольджи происходит сортировка белков, поступивших из ЭПСпо наличию адресной метки:

а. Белки ЭПС, ошибочно попавшие в комплекс Гольджи, возвращаются назад. Узнаются такие белки по последовательности KDEL (-Лиз-Асп-Глу-Лей-) .

б. Белки лизосом узнаются по другой последовательности, которая проходит дополнительное мечение с помощью специфической модификации - фосфорилирования одного из остатков маннозы и образования -маннозо-6-фосфата (М-6-Ф). Все белки, меченные М-6-Ф, собираются в тех местах мембран комплекса Гольджи, где имеются рецепторы к маннозофосфату; в результате взаимодействия рецепторов мембран с М-6-Ф белков, происходят изменения в структуре мембран комплекса Гольджи и образование пузырьков - будущих лизосом. В лизосомах, благодаря протонным насосам мембран комплекса Гольджи, создается кислая среда. Она способствует отсоединению рецепторов от М-6-Ф -метки лизосомальных белков. Рецепторы собираются в кластер и удаляются из лизосомы в составе мелких пузырьков обратно в комплекс Гольджи.

с - Секреторные белки (белки на экспорт) упаковываются в мелкие везикулы, которые транспортируются к плазмалемме и разгружают свое содержимое во внеклеточное пространство путем экзоцитоза(рис.) Белки, транспортируемые от комплекса Гольджи, упакованы в окаймленные комплексом белков СОР-II пузырьки, , образующих кайму. В целевой акцепторной органелле, куда направляется такой пузырек имеются рецепторы ее узнавания, соответствующие адресные маркеры(табл.), определяющие в какой пузырек они попадут и в каком направлении он будет перемещаться (рис.).

III. Синтез полисахаридов, входящих в состав гликопротеинов и гликолипидов; углеводов стенок растительных клеток.

IV. Образование липопротеинов - особых частиц, состоящих из гидрофобного липидного ядра, окруженного полярными липидами и апобелками. Липопротеины образуются для транспортировки липидов и жиров в крови. Различают несколько видов липопротеинов: липопротеины низкой плоскости (ЛНП), очень низкой плотности (ЛОНП), и высокой плотности (ЛВП). Диаметр частиц 10-500нм.

V. Образование первичных лизосом.

VI. Формирование секреторных включений и выделение их из клетки (упаковка и секреция).

VII. Образование акросомы - структуры сперматозоида, содержащей ферменты лизиса оболочки яйцеклетки.

2.5 Лизосомы

Лизосомы были открыты в 1955 году К. де Дювом. Это главные пищеварительные органеллы клетки. Представляет собой мембранные пузырьки, диаметром 0,2-0,4мкм, содержащие гидролитические ферменты: кислую фосфатазу, липазу, протеазы, нуклеазы и др., всего более 50 ферментов. Гидролазы - белки лизосом, расщепляющие химические связи белков, полисахаридов, липидов, нуклеиновые кислоты, их комбинаций и производных; продукты переваривания поступают в мембраны лизосом, в гиалоплазму, где используются по назначению. В лизосомах происходит: 1 - переваривание белков, липидов, углеводов и нуклеиновых кислот, поступивших извне; 2 - утилизации различных разрушенных или отмирающих клеточных структур: патологические, стареющие клетки, клетки временных эмбриональных органов.

Мембрана лизосом представляет собой единичный бислой и обладает уникальными свойствами. Белки и липиды мембран лизосомы синтезируются в гранулярной ЭПС, модифицируются и сортируются в комплексе Гольджи, но они не разрушаются ферментами ее полости. Эта устойчивость к гидролитическому расщеплению в отношении белков мембраны объясняется наличием среди них особых белков IgрА и IgрВ. Эти белки являются монотопными интегральными белками, имеют размеры 100-120 кДа, причем большая часть их молекулы направлена в полость лизосомы и степень их гликозилирования очень высока. Выяснилось, что чем выше степень гликозилирования, тем выше устойчивость белка к разрушению ферментами самой лизосомы. Поэтому все белки мембран лизосом имеют очень высокую степень гликозилирования. В отличие от белков

полости лизосом (см. аппарат Гольджи), белки мембран лизосом не имеют М-6-Ф-метки, их сортировка происходит в транс-полюсе аппарата Гольджи и транспортируются они отдельно в специфических транспортных пузырьках - сортирующих эндосомах.

Для выполнения своих функций, а именно, расщепления органических веществ, ферменты должны находиться в кислой среде (рН=5). Это обеспечивается АТФ-зависимой протонной помпой, которая обменивает Nа⁺ на H ⁺ .

Содержимое лизосом поступает в нее разными путями:

1. Поступление гидролаз в лизосому осуществляется посредством биосинтетического механизма, который обеспечивает поступление в лизосому набора гидролитических ферментов (гидролаз) и специализированных составных мембран лизосомы. Гидролазы синтезируются в гранулярной ЭПС, модифицируются и сортируются в комплексе Гольджи, выходят из транс-сети комплекс Гольджи. Фолдинг так же происходит с ГЭПС с образованием сигнального участка (домен, с определенной нелинейной последовательностью аминокислот, возникшей в результате сближения аминокислот в процессе фол-динга). В комплексе Гольджи этот участок узнается ферментом, который модифицирует N-связанное олигосахаридное ядро, создавая специальный «лизосомный адрес», маннозо-6-фосфат (М-6-Ф) путем фосфорилирования одного из остатков маннозы. Последний узнается рецепторами к маннозофосфату на мембранах транс-сети комплекса Гольджи.