Молекулярная структура и функции основных компонентов клетки

Взаимодействие гидролаз с М-6-Ф-рецепторами мембраны комплекса Гольджи является стимулом к началу образования и отпочковывания пузырька - предшественника первичной лизосомы. В стенках этого предшественника начинают работать протонные насосы, создающие в них кислую среду. Снижение рН среды приводит к отделению гидролаз от М-6-Ф рецепторов. Рецепторы группируются и удаляются из пузырька в составе мелких пузырьков обратно в аппарат Гольджи, а предшественники первичных лизосом становятся настоящими первичными лизосомами.

2. Вещества, которые перевариваются в лизосомы попадают в нее посредством эндоцитозного механизма (гетерофагия) и аутофагии. Эндоцитозной механизм обеспечивает поступление веществ из внеклеточного пространства. Эндоцитоз - это механизм захвата клеткам из внеклеточного пространств веществ, растворенных в воде , макромолекул и мелких частиц. В основе эндоцитоза лежит образование на плазмолемме впячивания, куда поступают вещества захвата, затем края впячивания смыкаются, образуя пузырек - везикулу, который отпочковывается от плазмолеммы и поступает в клетку. Такой пузырек, содержащий поглощенные вещества, называется фагосомой или ранней эндосомой.

Эндосомы могут содержать: 1- растворенные в воде вещества (макро-, и микропиноцитозные пузырьки; 2- вещества, для захвата которых плазмолемма должна иметь специальные рецепторы. Такие эндосомы имеют клатриновую оболочку и является окаймленными везикулами; 3- крупные частицы, такие как бактерии или осколки других клеток. Процесс поглощения крупных частиц называется фагоцитоз.

Эндоцитозные пузырьки - эндосомы поступают в клетку и сливаются там с первичными лизосомами, образуя вторичные лизосомы или поздние эндосомы, в которых начинаются процессы переваривания содержимого эндосом. Процесс переработки веществ поступивших извне клетки называется гетерофагия, вторичные лизосомы - гетеролизосомами.

Гетерофагия - это процесс переваривания: 1-питательных веществ, поступающих извне клетки; 2-этап обеспечения иммунитета; в процессе которого чужеродные вещества разрушаются лизосомами лейкоцитов и макрофагов; 3-разрушение гормонов и др. специфических молекул, выполнивших свою функцию или существующих в высоких концентрациях; 4 - обновление и перестройка нерастворимых клеточных структур(например, костная ткань).

В процессе функционирования клетки происходит износ, повреждение и старение органелл и биомолекул. Процесс переваривания таких структур называется аутофагия. Биологическое значение аутофагии заключается в: 1-обновлении структур клетки, достигших своего возраста (стареющие органеллы, молекулы клетки); 2- утилизация поврежденных структур; 3 - утилизация клеток, выполнивших свою функцию (клетки временных эмбриональных органов); 4-обеспечивание клетки пищей при ее недостатке.

Таким образом, клетка самообновляется и может функционировать достаточно долго. Так клетки мозга функционируют на протяжении десятков лет. Но по мере старения клетки в лизосомах происходит накопление бурых непереваренных остатков, в частности, пигмента старения липофусцина, указывающего на возраст клетки.

Аутофагия обеспечивается лизосомами, образованными путем слияния первичных лизосом с аутофагосомами, вторичными лизосомами,содержащими старые органеллы, молекулы и пр. Такие лизосомы называется аутолизосомы.(рис)

Следовательно, в клетке различают несколько видов лизосом:

1. Первичные лизосомы - это везикулы (100 нм), только что отделившиеся от транс- поверхности комплекса Гольджи и содержащие кислые гидролазы.

2. Вторичные лизосомы - образуется путем слияния первичных лизосом с ранними эндосомами (фагосомами). Различают гетеролизосомы (фаголизосомы) и аутофагосомы. Гетеролизосомы переваривают материал, поступивщий из внеклеточного пространства. Аутофагосомы переваривают собственные структуры клетки, устаревшие, поврежденные или выполнившие свою функцию.

3. Остаточные тельца или телолизосомы - это вторичные лизосомы, в которых процесс переваривания завершен. В них отсутствуют гидролазы и содержатся непереваренные остатки. К остаточным тельцам относятся также вторичные лизосомы, в которых накопление непереваренных веществ происходит вследствие их старения.

С функционированием лизосом у человека связано возникновение множества болезней:

1. Болезни накопления мукополисахаридов или генетические болезни накопления(табл.) ,обусловленные мутациями некоторых генов. Эти болезни связаны с дефицитом определенных лизосомных ферментов и наследуются как аутосомно-рецессивные признаки. В результате вещества, которые должны перевариваются этими ферментами не расщепляются и накапливаются в лизосоме; она постепенно набухает, достигает огромных размеров и приводит к гибели клетки. Мукополисахариды(глюкозамингликаны) относятся к мембранным липидам, которые постоянно обновляются, заменяясь на новые. Старые молекулы должны быть расщеплены в лизосомах. Но, вследствие дефицита соответствующих лизосомных ферментов, их расщепление не происходит и они накапливаются в клетке и межклеточных пространствах, что приводит к гибели клетки, деградации тканей и гибели организма до десятилетнего возраста. Известно более 10 лизосомных ферментов, дефицит которых способен вызвать мукополисахаридоз.

2. Болезни, связанные с нарушениям сортировки и транспорта лизосомных ферментов - гидролаз. Эти болезни наследуются также как аутосомно-рецессивные признаки. В процессе сортировки в аппарате Гольджи у некоторых лизосомных гидролаз не формируется адресная метка - М-6-Ф (маннозо-6-фосфат); М-6-Ф-рецепторы мембран аппарата Гольджи не могут с ними связаться и ферменты не поступают в лизосому, а в составе секреторных пузырьков удаляются из клетки. Так развивается болезнь I-клеток (ot inclusion -включения). Ее развитие связано с отсутствием в лизосомах не менее 8 ферментов, которые обнаруживаются в неправильном месте: в крови и моче больных. Нарушение транспорта этих ферментов обусловлено недостаточным уровнем у больных фосфотрансферазы - фермента, который обеспечивает образование адресной метки - М-6-Ф у соответствующих гидролаз клеток соединительной ткани. Без нее эти гидролазы не поступают в лизосомы и процесс переваривания глюкозамингликанов (мукополисахаридов) не происходит; лизосомы оказываются переполненными этими веществами, а их обмен в клетках нарушается. У больного наблюдается задержка развития и деформация скелета. Различают 2 типа болезни I-клеток; муколипидоз II и муколипидоз III. Кроме болезни I-клеток, нарушения транспортировки гидролаз приводит к развитию атеросклероза и ожирения.

3. Болезни, связанные с повреждением лизосомных мембран. Мембрана лизосом устойчива к действию своих лизосомальных ферментов, так как ее компоненты подвергаются сильной степени гликолизирования(см.выше), но по ряду причин она может быть разрушена и содержимое лизосом попадает в цитоплазму. В результате развиваются выраженные повреждения клетки вплоть до ее гибели. При этом возникают патологические состояния, приводящие к развитию таких болезней как подагра, асбестоз и силикоз (болезнь легких у шахтеров). Повреждающим мембраны действием обладают Siо₂ (механическое действие), микотоксины, продукты перекисного окисления, фосфолипазы. Кроме этого, нарушение целостности мембран происходит при голодании, гипоксии, изменении гормонального статуса, шоке и т.д.

4. Болезни, связанные с внеклеточным выбросом. При некоторых состояниях происходит выброс содержимого лизосомы во внеклеточное пространство. В результате развивается тяжелейшая эрозия внеклеточных структур, приводящая к развитию ревматоидного артрита и некоторых других аутоиммунных болезней.

5. Роль лизосом в развитии воспалительных процессов. Лизосомы принимают активное участие в уничтожении бактерии и вирусов, вызывающих различные заболевания, но некоторые бактерии могут избегать действия лизосомальных ферментов, подавляя активность лизосом. Так, например, туберкулезная палочка подавляет слияние эндосом с первичных лизосомами, нарушая процесс образование вторичных лизосом. Возбудители лепры (проказы)устойчивы к воздействию лизосомных ферментов. Некоторые бактерии выделяют экзотоксин, который разрушает мембрану лизосом и т.д.

Кроме гетеро- и аутофагии, в лизосоме происходит процесс очищения. Продукты переваривания - различные мелкие молекулы транспортируются через мембрану лизосомы в цитоплазму, предположительно, с помощью белков - переносчиков; непереваренные вещества, не способные пройти через мембрану, остаются в лизосомах в виде остаточных продуктов.

Лизосомы являются главной пищеварительной органеллой клетки и выполняют следствие функции:

1- обеспечивают внутриклеточное пищеварение;

2- участвуют в фагоцитозе и следовательно, в иммунной защите организма;

3- участвуют в мейозе, обеспечивая разрушению ядерной мембраны в профазе;

4- участвуют в процессах регенерации клеток, тканей и органов.

5- участвуют в процессе аутолиза - саморазрушении клетки после ее гибели.

2.6 Митохондрии

Это органелла, обеспечивающая окисление органических соединений (клеточное дыхание) и синтез АТФ, поэтому ее считают «энергетической силовой станцией» клетки. Митохондрии были открыты в 1890 году немецким ученым Р.Альтманом. Сам Р.Альтман считал, что митохондрии произошли от бактерий, которые внедрились в клетку с паразитическими целями, в последствии став ее симбионтом. Эта теория получила название симбиотической и в настоящее время широко распространена.

Общая структура.

Митохондрии (рис.) присутствуют во всех клетках, кроме эритроцитов и кератиноцитов. Это подвижные органеллы, постоянно перемещающиеся по цитоплазме к участкам клетки, в которых идет повышенное потребление энергии. Форма митохондрий разнообразна в различных клетках: сферическая, овальная, лентовидная, гантелевидная и т.д. Размеры колеблются от 0,5 до 7 мкм; количество в клетки - от 50 до 5000. Совокупность всех митохондрий клетки называется хондриом.

Митохондрия окружена двойной мембраной; имеет две полости: межмембранное пространство (20нм) между наружной и внутренней мембраной и митохондриальный матрикс, ограниченный внутренней мембраной; а также 4 мембранные поверхности: две у наружной и две у внутренней мембран.

Наружная мембрана - гладкая, содержит большое количество белка порина, формирующего водные каналы - поры с диаметром, позволяющим свободно проходить в межмембранную полость молекулам размером до 5000 дальтон (ионы, аминокислоты, сахара), и рецепторы для полипептидов, которые переносятся в матрикс, во внутреннюю мембрану и межмембранное пространство.

Внутренняя мембрана - значительно плотнее и чуть толще наружной. В ее состав входит фосфолипид кардиолипин, отличающийся от других липидов мембран наличием 4 жирных кислот, соединенных глицеролом. Кардиолипин делает внутреннюю мембрану непроницаемой для ионов. Внутренняя мембрана образует многочисленные впячивания - кристы, в состав которых входят: белки, участвующие в окислительных реакциях дыхательной цепи переноса электронов: цитохромы а, а_3, в, с, с₁, АТФ-синтаза, транспортные белки, регулирующие транспорт метаболитов в матрикс и обратно. Ферменты дыхательной цепи погружены в эту мембрану и осуществляют окислительное фосфорилирование, сопряженное с образованием АТФ.

Межмембранное пространство. Полость между наружной и внутренней мембранами, 20 нм толщиной, содержит уникальный состав ферментов, которые используют молекулы АТФ, синтезированные на внутренней мембране, обеспечивая окислительное фосфорилирование. Группа ферментов, (аденилаткиназы и креатинкиназы), локализованная в межмембранном пространстве фосфорилирует нуклеотиды и сахара нуклеотидов .

Митохондриальный матрикс - это полость, окруженная внутренней мембраной. В ней содержатся ферменты, участвующие в окислении липидов, жирных кислот, аминокислот, углеводов, цикла Кребса; образуется СО₂ и восстановленный NАДФ (никотинамидадениндинуклеотид), который является донором электронов, переносимых по дыхательной цепи. Кроме того, в матриксе содержатся митохондриальная ДНК, рибосомы, некоторые тРНК и ферменты активации митохондриального генома. Имея собственный геном, митохондрии обладают автономной системой синтеза белка для собственных мембран.

Митохондриальная ДНК (мтДНК)(рис.) - небольшая, кольцевая молекула, содержит 16569 нуклеотидных пар; кодирует 15 митохондриальных белков, 22 тРНК и 2 рибосомные РНК. В 1 митохондрии 2-10 молекул мтДНК. Генетический код мтДНК несколько отличается от ядерной ДНК, в частности, имеет измененные стоп-кодоны, не имеет интронов. МтДНК реплицируется в интерфазе, перед делением митохондрии, которое происходит один раз в клеточном цикле. Репликация мтДНК не связана с S-периодом интерфазы.

Рибосомы по размерам близки к бактериальным, то есть, мельче цитоплазматических. Трансляция митохондриальных белков инициируется формилметионином мет-т-РНК_f^met. Количество транслируемых с ми-тохондриальной рРНК белков ограничено; они формируют некоторые субъединицы крупных ферментных комплексов дыхательной цепи переноса электронов и АТФсинтазы. Все остальные митохондриальные белки (около 1100) кодируются генами ядерной ДНК. Нарушение взаимодействия между митохондриальным и ядерным геномами служит причиной возникновения митохондриальных болезней.

Митохондриальные белки, кодируемые ядерной ДНК синтезируются на полисомах гиалоплазмы и имеют сигнальную последовательность (СП), локализованную на N-конце (12-80 аминокислотных остатков)(рис.). СП формирует амфифильный завиток: заряженные остатки сгруппированы на одной стороне спирали, незаряженные - на другой. СП соединяется с участком связывания митохондриального распознающего рецептора, локализованного на наружной мембране. После прохождения наружной и внутренней мембран СП отщепляется в матриксе. Если белок после этого должен попасть в межмембранное пространство, то он имеет вторую СП, с помощью которой он проникает туда из матрикса. Для прохождения через мембраны полипептид должен находится в развернутом состоянии, т.е. с незавершенным фолдингом в виде расплавленной глобулы, что обеспечивается специальными шаперонами. Шапероны связываются с полипептидом в процессе их трансляции на рибосомах и препятствуют их фолдингу; диффундирут через мембраны, сохраняя связь с полипептидом. Эти шапероны относятся к семейству белков теплового шока (hsр), обнаруженных впервые в клетках дрозофилы; их активный синтез начинается при повышении температуры. У митохондрий (как и бактерий) это белки hsр70 и hsp90 . Их функция - предотвращение преждевременного фолдинга и предупреждение «неправильных» взаимодействий внутри незавершенных полипептидов, путем блокирования их активных поверхностей, с целью избегания агрегации.

Во внутреннем митохондриальном пространстве - матриксе - происходит завершение фолдинга при участии шаперонов системы GroEL/GrоЕS. Шаперон GrоЕL относится к белкам Нsр60 и содержится в клетках бактерий и митохондриях эукариот. Белок GrоЕS является ко-шапероном (помощником) GrоЕL и имеет меньшую массу.

Функции митохондрий.

Основной функцией митохондрий является синтез АТФ (аденозинтрифосфорной кислоты). Энергия, которую используют живые организмы для своей жизнедеятельности высвобождается при окислении питательных веществ - углеводов, пептидов и, частично, белков. Кислород поступает в организм в процессе дыхания и используется клетками в процессе окисления. Такое окисление называется клеточным дыханием. Освобождение энергии в живом организме происходит ступенчато, а не одномоментно как при горении, включая целый ряд биохимических реакций, в которых принимают участие несколько ферментных комплексов. В результате этих реакций питательные вещества расщепляются до СО₂ и Н₂О. Этот процесс получил название биологического окисления.

С₆Н₁₂О₆+6О₂ 6Н₂О+6СО₂+686ккал.

Таким образом, биологическое окисление или клеточное дыхание - это процесс ферментативного окисления питательных веществ (углеводов, липидов, белков), происходящий в митохондриях с участием молекулы кислорода до получения конечных продуктов СО₂ и Н₂О.

В процессе биологического окисления высвобождается энергия, которая называется свободной энергией. Эту энергию несут электроны, которые высвобождаются при отщеплении водорода в процессе окисления органических соединений. Окисление углеводов, липидов, белков и нуклеиновых кислот служит источником электронов. Основными источниками электронов являются углеводы и жиры.

Молекула глюкозы, например,начинает окисляться в гиалоплазме в процессе 10 ферментативных реакций, называемых гликолиз, до 2 молекул пирувата,который затем переносится через мембраны в матрикс митохондрий, где окисляется полностью. Суммарная реакция гликолиза имеет следующий вид:

глюкоза + 2АДФ +2Рi + 2NaD⁺ = 2пируват + 2NаДН + 2АТФ.

Молекулы пирувата окисляются до ацетил - СоА, который затем окисляется в цикле лимонной кислоты. При этом высвобождаются электроны, перенос которых по дыхательной цепи сопровождается синтезом АТФ, в котором участвует фермент АТФ-синтаза.

Электроны не могут существовать в свободном состоянии и переносятся от одного субстрата к другому. В процессе переноса электронов от NaDH, FADH₂ и других восстановленных переносчиков до молекулярного кислорода извлекается энергия электронов.

Цепь окислительно-восстановительных реакций, в которых электроны от NaDH, FADH₂ передаются от одного переносчика (фермента) к другому и в конечном итоге к молекулярному кислороду называется дыхательной цепью.

Компоненты дыхательной цепи расположены во внутренней мембране митохондрии и включают 4 ферментных комплекса (рис.;табл.): I комплекс - NaDH дегидрогеназный (25 субъединиц); II комплекс - сукцианат дегидрогеназный (4 субъединицы); III комплекс - цитохром вс, -комплекса содержит 10 молекул белка: цитохромы в;с; Fе-Ѕ (железо серные белки) и еще 6 видов белка. Цитохромы, содержит в качестве простатической группы гемм; IV комплекс -цитохромоксидазный комплекс; содержит 6-12 молекул белка, в том числе цитохромы а и а₃, а также ионы меди.

В процессе переноса электронов по дыхательной цепи образуется АТФ. Этот процесс называется окислительным фосфорилированием. АТФ образуется из АДФ и неорганического фосфата под действием ферментного комплекса АТФ-синтазы. Процесс окислительного фосфорилирования может быть разделен на 3 три части:

1. Биохимические реакции, обеспечивающие образование электронов с высоким уровнем энергии;

2. Система транспорта электронов, которая позволяет превращать энергию электронного транспорта в протонный градиент (разность ионов Н⁺ по обе стороны внутренней мембраны) (рис);

3. АТФ-синтаза использует протонный градиент для синтеза АТФ. Энергия, которая запасается в АТФ, выделяется при переходе протонов Н⁺ из межмембранного пространства в митохондриальный матрикс.

АТФ -синтаза (рис) - ферментный комплекс, расположенный на внутренний мембране. Состоит из двух белковых компонентов F₀ и F₁. Компонент F₀ погружен во внутреннюю мембрану и состоит из субъединицы б, в и 6-12 субъединиц с. Этот комплекс гидрофобен и в нем имеются поры для прохода протонов Н⁺ через мембрану. Компонент F₁ имеет форму сферической глобулы, состоит из трех б -субъединиц, трех в-субъединиц и по одной субъединицы г, д и е. Компонент гидрофилен, обращен в сторону матрикса и прикреплен к компоненту F₀ с помощью ножки. Он обладает каталитической функцией, но не синтезирует АТФ из АДФ. Такой функцией обладает весь комплекс F₀ -F₁.

Таким образом, на митохондриальной мембране электрическая энергия разности потенциалов Н⁺ превращается в химическую энергию молекулы АТФ, Молекулы АТФ переносятся наружу в цитоплазму в обмен на молекулы АДФ, находящиеся в цитоплазме и используются как источник энергии в процессах жизнедеятельности клетки.

Кроме синтеза АТФ митохондрии принимают участие в:

1- биосинтезе стероидных гормонов (отдельные звенья синтеза происходят в митохондриях).

2 - депонировании кальция.

3 - биосинтезе пуринов.

У человека возникают различные митохондриальные болезни, причиной которых являются мутации генов ферментов процесса окислительного фосфорилирования. В таблице показаны заболевания, связанные с мутацией генов ядерной ДНК, а в таблице - с мутацией генов мтДНК.

2.7 Пероксисомы

Пероксисомы (рис.) - это сферические или эллипсоидальные мембранные органеллы, с умеренно плотной сердцевиной сходные по форме с лизосомами. Плотная сердцевина или кристалловидное ядро является оксидазой (фермент пероксисомы) и имеет вид правильной гексогональной решетки (рис.). Пероксисомы относят к группе микротелец. Чаще всего пероксисомы обнаруживаются в печени и почках, где наиболее активно проходят процессы детоксикации. Пероксисомы служат основным местом использования О₂. Содержат около 50 ферментов, около 15 из них оксидазы: пероксидаза (отсюда название органеллы), каталаза и другие. В пероксисомах происходит окисление органических веществ в реакции:

RН₂ + O₂ = R +H₂O₂ , где R- органический субстрат.

При этом образуется пероксид водорода, который взаимодействует с супероксидом О₂^Їс образованием свободного гидроксильного радикала (ОН^*):

1. Н₂0₂ + О₂^¬¬ = ОН* + ОН + О₂, где О₂^Ї - супероксид

2. О₂^Ї + ОН* = ¹О₂ + ОН^-, где ¹О₂ - синглетный кислород

Пероксид водорода, супероксид, гидроксильный радикал, синглетный кислород имеют высокую химическую активность и реагируют со многими веществами организма (белки, липиды, нуклеиновые кислоты), повреждая их. Другие ферменты пероксисом (например, каталаза) расщепляет пероксид водорода на О₂ и Н₂ О. Т.о., происходит детоксикация органических веществ (в клетках печени - гепатоцитах, пероксисомы обезвреживают алкоголь, превращая его в уксусный альдегид)

Второй тип окислительных реакций в пероксисомах - в-окисление. При этом жирные кислоты окисляются до ацетил - СоА, который выходит из пероксисом и используется как строительный материал клетки.

В состав пероксисомы входят два фермента, участвующие в реакциях синтеза плазмалогенов, составляющих 19% от общего содержания фосфолипидов организма, в основном в головном мозге и сердце.

Пероксисомы образуются путем отпочковывания от уже существующих пероксисом с дальнейшим ростом за счет импорта белков. Размножение начинается в ответ на такие воздействия внешней среды, при которых для выживания клетки требуются ферменты пероксисом.

Пролиферация пероксисом начинается в ответ на сигналы извне, которые активизируют цитоплазматические факторы. Те, в свою очередь, регулируют скрытно факторы транскрипции, называемые рецепторами, активируемые пероксисомным пролифератором (РРАR). При активации эти рецепторы перемещаются в ядро и связываются с промоторами генов, кодирующих цитоплазматические рецепторы стероидных гормонов, гормонов щитовидной железы и ретиновой кислоты, связываются с особыми элементами ДНК в промоторах генов, кодирующих пероксисомные белки. Вновь синтезированные белки переносятся в существующие пероксисомы. Увеличение количества белков вызывает отпочковывание новых пероксисом.

Белки, которые должны попасть в пероксисомы узнаются по особой последовательности аминокислотных остатков на С - конце (редко на N-конце). Этот сигнальный пептид чаще всего представляет трипептид Ser - Zys - Zeu - СООН и называется пероксисомный направляющий сигнал (РTS). Различные нарушения обмена веществ у человека связаны с неспособностью клетки импортировать белки в пероксисомы. Различают три группы пероксисомных болезней (табл.):

I- заболевания, связанные с почти полной потерей пероксисомной функции (болезнь Цельвегера), в связи с отсутствием в пероксисомах почти всех ферментов. Пациенты умирают в детском возрасте.

II- заболевания, связанные с избытком пероксисомных ферментов (цельвегороподобный синдром). Менее тяжелые болезни пероксисом.

III- заболевания, характеризующиеся нарушением функционирования одного фермента пероксисом (адринолейкодистрофия) - наименее тяжелые формы заболеваний.

Функции пероксисом:

1 - являются органеллами утилизации кислорода. В результате окисления органических соединений в них образуются: сильный окислитель Н₂О₂ - пероксид водорода, супероксид О₂Ї, гидроксильный радикал ОН*.

2 - участвуют в обмене веществ: ферменты пероксисом расщепляют жирные кислоты, участвуют в обмене аминокислот и др. веществ.

3 - расщепление при помощи фермента каталазы избытка пероксида водорода, утилизация супероксида О₂Ї, гидроксильного радикала ОН* защищает клетку от гибели.

4 - пероксид водорода расщепляет токсические продукты экзогенного происхождения (детоксикация).

2.8 Немембранные органеллы

К немембранным органеллам относят рибосомы, микрофилламенты, микротрубочки, клеточный центр, реснички и жгутики. Строго говоря, органеллой считают субклеточную единицу которая ограничена мембраной и отделяется при центрифугировании. Рибосомы, клеточный центр, микротрубочки и микрофилламенты не имеют мембран, но они отделяются при центрифугировании, следовательно, являются самостоятельными субклеточными единицами и их относят к немембранным органеллам.

Рибосомы.

Это органеллы биосинтеза белка. В бактериальной клетке их количество достигает 10 тысяч, а в эукариотических клетках в десятки раз больше. Рибосомы -это весьма сложная и специализированная структура. Ее диаметр у прокариот составляет примерно 200Ає, у эукариотических клеток несколько больше и состоит из двух субъединиц: малой и большой (рис.).

У прокариот масса рибосом составляет 2500 кДа, а коэффициент седиментации 70S (S - единица Сведберга, показывающая скорость оседания веществ при центрифугировании и зависящая от массы, плотности и формы вещества). Рибосома прокариот (70S) состоит из большой (50S) В бактериальной клетке их количество 10 тысяч, а в эукариотических клетках в десятки раз больше. Рибосомы это весьма сложная и специализированная структура. Ее диаметр у прокариот составляет примерно 200Ає, у эукариотических клеток несколько больше и состоит из двух субъединиц: малой и большой.

У прокариот масса рибосом составляет 2500 кДА, а коэффициент седиментации 70S (S- единица Сверберга, показывающая оседания веществ при центрифугировании и зависящая от массы, плотности и формы вещества). Рибосома прокариот (70S) состоит из большой (50S) и малой (30S) субъединиц. Субъединица 30S содержит 21 молекулу белка и одну молекулу 16S-RHK; 50S - субъединица состоит из 31 молекулы белка и двух молекул RHK: 23S-RHK и 5S-RHK(рис.).

Рибосома эукариот имеет коэффициент седиментации 80S и состоит из большой (60S) и малой (40S) субъединиц. Большая субъединица состоит из трех молекул RHK: 28S-RHK, 5,8S-RHK, 5S-RHK и 49 молекул белка; малая субъединица содержит одну молекулу RHK - 18S-RHK и 33 молекулы белка.

Рибосомы митохондрии эукариот похожи на рибосомы прокариот.

р-RHK в составе рибосом выполняют все каталитические функции в процессе трансляции, белки в этом процессе обеспечивают связывание молекул, тем самым ускоряя его.

В цитоплазме субъединицы находятся в свободном состоянии, соединяясь только для трансляции белков. Различают цитоплазматические рибосомы, обеспечивающие транспорт цитоплазматических белков и мембранносвязанные рибосомы ЭПС, участвующие в синтезе белка в полостях ЭПС. Рибосома, состоящая из двух субъединиц называется моносомой, а группа рибосом, объединенных на момент трансляции - полисома (рис.).

Функции рибосом: биосинтез цитоплазматических белков, белков «на экспорт», лизосамальных и мембранных белков.

3. Цитоскелет клетки

Микротрубочки и микрофиламенты образуют цитоскелет клетки - набор белков, обеспечивающих форму клетки, ее изменение, перемещение клетки и ее органелл, движение хромосом при делении, транспорт веществ. Кроме основных белков цитоскелета, важную роль в его организации и функционировании играют вспомогательные белки - молекулярные двигатели, которые обеспечивают: 1 - прикрепление органелл к цитоскелету; 2 - направление движения органелл; 3 - связь???? и координацию функций цитосклета.

Основные белки цитоскелета включают следующие типы белков: тубулин, актин, виментин, кератин, ядерные ламины, белки нейрофиламентов. Эти белки способны объединяться и образовывать линейные массивы свыше 10-15 мкм - филаменты. Процесс полимеризации (полимеризация - процесс синтеза высокомолекулярных соединений, состоящих из повторяющихся частей) происходит всегда в одном направлении, то есть, белковые молекулы добавляются только к одному концу растущего филамента. Филаменты полярны и имеют структурные различия на концах, обозначаемых плюс-конец (который растет) и минус-конец (который теряет белки до полной стабилизации).

Актин - самый распространенный белок клеток (5% от общего количества белка); он является глобулярным белком с молекулярной массой 43 кДа, полипептид которого содержит 375 аминокислотных остатков и прочно связан с молекулой АТФ. Диаметр глобулы 5 нм и она называется G-актин. Полимеризованная форма, в виде филамента, образуется путем некова-лентного соединения молекул G-актина и называется F-актин. Молекула F-актина напоминает две нитки бус, скрученных друг с другом. Актин сконцентрирован в основном в коре клетки под плазмолеммой. Между этими формами в клетке существует динамичное равновесие. Актиновые филаменты имеют «+» и «-» концы; в клетке постоянно идет распад фил/амента на минус-конце и рост на плюс-конце. Этот процесс называется тредмиллинг. Он играет важную роль в изменении агрегатного состояния клетки, подвижности клетки, перемещении органелл, образовании псевдо-одий, микроворсинок, эндоцитозе и экзоцитозе.

Тубулин - это димерный глобулярный белок с молекулярной массой 111150, состоящий из двух субъединиц б и в, которые существуют в шести разных типах, каждый из них кодируется отдельным геном, б и в- субъединицы соединяются с образованием гетеродимеров, которые в свою очередь собираются продольно в протофиламенты при помощи полярных частей по принципу «замок - ключ».

Виментиноподобные белки. К ним относятся десмин, периферин, виментин. Десмин - основной белок промежуточных филаментов с молекулярной массой 53КДА, который связывает миофибриллы мышц; виментин с массой 54кДа составляет основу различных мезенхимных клеток; периферии - в нейронах.

Кератин - фибриллярные белки разнообразного типа с массой от 40 - 70кДа. Пептидная цепь имеет конформацию б-спирали. В волосе 3 такие спирали скручиваются, образуя протофибриллу; несколько протофибрилл скручиваются в микрофибриллу, последние - в макрофибриллу. В целом образуется система многожильного каната, в котором молекулы полипептида соединяются дополнительно дисульфидными связями, делая структуру еще прочнее. Кератины волос имеют 8 изоформ и относятся к тяжелым кератинам.

Кератины можно подразделить на два типа: I (кислые кератины) имеют 16 изоформ и II (щелочные кератины)-13 изоформ. Керативные филаменты могут состоять из разных кератиновых полипептидов и содержаться в эпителиальных клетках, нитях, волосах.

Белки нейрофилламентов составляют 3 класса: 1 - низкомолекулярные белки NF-L с массой 60кДа; 2 - средние белки NF-М с массой 70-100кДа; 3 - высокомолекулярные белки NF-Н с массой 100-130 кДа. Нейрофилламенты располагаются вдоль нейрона и сшиваются между С-концом поперечными мостиками, обеспечивающими эластичность нейронных отростков. Нейрофилламенты образуются путем скручивания двух мономеров полипептидов в димер; 2 димера образуют тетарамер; тетрамер является протофилламентом, 2 протофиламента скручивается в протофибриллу, последние-в филамент.

Ядерные ламины - сеть филаментов, расположенных на поверхности ядерной мембраны и состоящих из 3 родственных белков-ламин с молекулярной массой 65-75кДа. Ламины разрушаются во время митоза и восстанавливаются в конце митоза. Путем фосфорилирования серина в ламинах, они становятся растворимы; дефосфорилирование ламин восстанавливает их нерастворимость и облегчает восстановление ядерной ламины.

Вспомогательные белки или молекулярные двигатели

Вспомогательные белки или молекулярные двигатели - это белки, которые связывают филаменты друг с другом или с другими клеточными структурами и обеспечивают перемещение компонентов клетки, за счет энергии гидролиза АТФ. К ним относятся белки миозин, кинезины, динеины.

Миозин - составляет половину всех белков скелетных мышц, но встречается также вне мышечные молекулы миозина. Молекула миозина содержит две тяжелые полипептидные цепи (молекулярная масса каждой 200 кДа) и четыре легких (молекулярная масса 20 кДа). Тяжелые нити с С-конца имеют конформацию б-спирали и обе спирали скручены друг с другом.Этот участок называется стержневой домен; с N-конца нити имеют форму глобулы, образуя «головки» миозина, где находится двигательный домен, на котором происходит гидролиз АТФ. К каждой «головке» нековалентно присоединяется по две легкие цепи.

Энергия гидролиза АТФ, который каталитирует миозин, используется для сокращения мышцы.

Миозин скелетных мышц обозначается как миозин II и обеспечивает скольжение актиновых филаментов при мышечном сокращении. Другая форма миозина - миозин не мышечных клеток обозначается как миозин I и отличается от миозина II стержневым доменом.

Миозин II и актиновые филаменты могут формировать мышечноподобные структуры в немышечных клетках. Так, при делении клетки образуется сократительное кольцо, состоящее из миозина II и актиновых филаментов. Кольцо при делении сжимает середину клетки, в результате чего образуются две дочерние клетки. Этот процесс называется цитокинезом.

Образование миозина II и актиновых филаментов происходит в немышечных клетках при формировании стрессовых волокон и адгезивных поясов (о них речь пойдет позже). Миозин относится к двигательным белкам связанным с актином; обеспечивает перемещение пузырьков по актиновым филаментам, вызывает движение одного актина филамента по другому (миозин I), обеспечивает мышечное сокращение, кэпирование поверхностных молекул, клеточную полярность, цитокинез.

Кинезины и динеины - это микротубулярные двигательные белки (молекулярные двигатели), связанные с микротрубочками. Кинезины принадлежат к семейству белков, учавствующих в транспорте органелл, митозе, мейозе. Эти белки передвигаются к плюс-концу микротрубочки. Динеины участвуют в транспорте органелл, митозе, движении ресничек и жгутиков. Различают динеин цитоплазматический и динеин ресничек и жгутиков; последний имеет более сложное строение. Кинезины и динеины - высокомолекулярные соединения, состоящие из двух (у динеина большеe число) тяжелых и нескольких легких цепей. Тяжелые цепи (молекулярная масса 300 кДа) состоят из головного домена в форме глобулы, имеющего АТФ-связывающий участок и стержневого хвостового домена. Два головных домена связываются с микротрубочками и служат АТФазными двигателями; хвостовые домены связываются с органеллами и внутриклеточными компонентами, которые они транспортируют. Двигательные молекулы перемещаются только в одном направлении: кинезины к плюс-концу микротрубочки, динеины - к минус-концу.

Микротрубочки

Микротрубочки - это длинные нитевидные структуры, протянутые по всей цитоплазме и формирующие сеть, которая поддерживает структурную организацию и локализацию органелл. Они играют важную роль в: 1 - делении клетки; 2 - внутриклеточном транспорте (особенно перемешивании пузырьков; 3 - циркуляции веществ из комплекса Гольджи в ЭПС; 4 - обеспечении подвижности клетки.

Микротрубочки являются органеллами фибриллярного типа и представляют собой цилиндрические полые структуры, стенки которых состоят из 13 тубулиновых б/в гетеродимеров - протофиламентов. Диаметр полого цилиндра составляет 25 нм. Субъединицы тубулина располагаются в шахматном порядке. Протофиламенты соединяются в цилиндрическую закрученную структуру, соединяясь полярными частями субъединиц. От микротрубочек отходят ассоциированные с ними молекулы белков (ассоциированные с микротрубочками протеины или МАР).

МАР стабилизирует микротрубочки, участвует в регуляции разборки микротрубочек, а также связывают их с другими элементами цитоскелета и органеллами. Особую группу МАР составляют микротубулярные двигатели, которые перемещаются вдоль по трубочкам. МАР специфичны для каждого_типа клеток. Так, для нервных клеток характерны высокомолекулярные МАР (масса 200-300 кДа)- МАР-1 и МАР-2, а также тау-белки (молекулярная масса 55-65 кДа). Белки обоих классов имеют домен, связывающий микротрубочки с клеточными компонентами. Считается, что МАР предотвращают деполимеризацию и стабилизируют микротрубочки.

Микротрубочки являются динамичными структурами. Они имеют два конца: (-) и (+) - концы. Плюс-конец может расти очень быстро за счет наращивания молекулами тубулина (полимеризация микротрубочек); минус-конец теряет тубулиновые субъединицы (деполимеризуется) до тех пор пока не стабилизируется. Стабилизация минус-конца достигается присоединением (заякориванием) минус-конца (базального тельца) микротрубочки к центросоме, называемой также центром организации микротрубочек (ЦОМ), локализованном в центре клетки рядом с ядром. Т.о., микротрубочки растут от центра клетки к периферии. ЦОМ постоянно производит микротрубочки. Другие микротрубочки сокращаются за счет потери тубулиновых субъединиц. Сборка микротрубочек происходит в присутствии ГТФ, ионов Мg и температуре 37єС (это условия полимеризации тубулинов).

Сборка микротрубочек проходит три фазы: 1 - нуклеация - замедленная фаза - формируется ядро из субъединиц тубулина; 2 - элонгация - фаза полимеризации - ядро тубулина быстро удлиняется за счет свободных молекул тубулина. Полимеризация идет быстрее, чем деполяризация и микротрубочки быстро растут. 3 - фаза стабильного состояния - поляризация и деполяризация уравновешивают друг друга.

Движение микротрубочек и перемещение частиц по микротрубочкам обеспечивают молекулярныe двигатели, семейство моторных белков, участвующих в транспорте органелл, митозе и мейозе. К этим белком относятся динеины, кинезины и миозины I и II, которые взаимодействуют со многими компонентами цитоскелета (табл.). Моторные белки - это высокомолекулярные соединения, состоящие из двух тяжелых и нескольких легких цепей. Тяжелые цепи состоят из: 1-двигательного головного домена, имеющего форму глобулы и содержащего АТФ-связывающий участок; 2-стержневого хвостового домена, который взаимодействует с внутриклеточными структурами. Головные домены связываются с микротрубочками и служат АТФ-азными двигателями за счет гидролизации АТФ; хвостовые домены связываются с органеллами и другими структурами клетки, которые транспортируются этими двигателями (рис.).

Функции микротрубочек:

1 - выполняют роль цитоскелета;

2 - участвуют в транспорте веществ и органелл в клетке;

3 - участвуют в образовании веретена деления и обеспечивают расхождение хромосом в митозе и мейозе;

4 - входят в состав центриолей, ресничек, жгутиков;

5 - стабилизируют форму клетки. Если клетки обработать колхицином, разрушающим микротрубочки, то клетки изменяют форму, сжимаются, теряют способность делиться. Колхицин связывается со свободными мономерами тубулина, которые вследствие этого теряют способность вставляться в растущие микротрубочки. Рост ее с плюс-конца останавливается, а разрушение с минус- конца продолжается вплоть до полного разрушения микротрубочки. Таким же свойством обладают винбластин и винкристин. Это явление используется в медикаментозной терапии онкологических больных. Антимитотические лекарственные вещества препятствуют образованию митотического веретена деления, останавливая быстрое деление клеток и рост опухолей.

Микрофиламенты

Микрофиламенты - это второй компонент цитоскелета. Различают два вида микрофиламентов: актиновые и промежуточные микрофиламенты.

Актиновные микрофиламенты.

Актиновые филаменты образованы белком актином и имеют следующие особенности:

1.Это линейные спиралевидные структуры, субъединицы которых ориентированы в одном направлении;

2. Более гибкие, тонкие и короткие по сравнению с микротрубочками;

3.Являются необходимыми компонентами сократительного аппарата мышечных клеток;

4. Составляют ядро микроворсинок клеток.

Каждый актиновый филамент состоит из закрученного в спираль полипептида; имеют быстрорастущий плюс-конец и медленно растущий минус-конец. Гены актина кодируют 6 изомеров актина, которые экспрессируются в разных клетках. Для роста (полимеризации) актина необходимы АТФ (гидролизуется в АТФ после встраивания субъединицы актина в филамент) и ионы К⁺ и Мg². Полимеризация актина идет также как и у микротрубочек в три фазы: 1 - замедленная фаза, в которой формируется ядро актина филамента; 2 - быстрая полимеризация, в течении которой короткие филаменты удлиняются; 3 - полимеризация на плюс-конце идет быстрее, чем минус-конце.

Актин участвует в образовании разных клеточных структур, например: 1 - выступы клеточной поверхности; 2 - актиновая кора (актиновые филаменты, прилегающие к плазматической мембране); 3-сократительное кольцо, стрессовые волокла и др. Поскольку актиновые филаменты везде одинаковы и изоформы актина очень схожи, то различия в структуре активного цитоскелета определяются их стабильностью, длиной и способом прикрепления, а эти качества зависят от актин-связывающих белков. К ним относятся профилины, тимозин-в4, спектрин. Они определяют количество G-актина, встраиваемого в филамент и свойства актиновых филаментов. Если профилин и тимозин-в4 предотвращают полимеризацию, то спектрин выполняет функцию актин-связывающих белков и функцию актин-сшивающих белков.

Актин-сшивающие белки формируют из актиновых филаментов клеточной коры (слой цитоскелета, прилегающий к плазмолемме и образованный микротрубочками и микрофиламентами) отдельные структуры со специфическими функциями (сократительное кольцо митоза, стрессовые пучки, параллельные пучки,гелеподобная сеть).

Актин-сшивающие белки делятся на следующие группы:

1. Белки, формирующие пучки, которые соединяют актиновые филаменты в параллельно упорядоченные структуры - пучки (фибрин и б-актин). Обеспечивают образование стрессовых волокон, обеспечивающих растяжение клетки; сократительного кольца при митозе, филоподии и ламеллоподии - выпячиваний плазматической мембраны, образующихся при миграции клеток. Выпячивания формируются за счет быстролокальной полимеризации актина на конце двигательного края клетки и диполяризации его с внутренней стороны, что обеспечивает подвижность клетки.