Аппарат внутриклеточного переваривания. Строение половых клеток

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Органеллы, принимающие участие во внутриклеточном переваривании. Состав, классификация, ультраструктурная характеристика

Аппарат внутриклеточного переваривания представлен системой особых органелл - мембранных пузырьков с кислым содержимым эндосом (от греч. еndo - внутри и soma - тело) и лизосом (от греч. lysis1у - разрушение и soma - тело), которые обеспечивают катаболические процессы в цитоплазме клетки (рис. 1). Функция аппарат, внутриклеточного переваривания состоит в регулируемом внутри клеточном расщеплении макромолекул внеклеточного и внутриклеточного происхождения.

Содержание эндосом и лизосом неодинаково в клетках разных типов; оно максимально в тех из них, которые активно осуществляют пиноцитоз и фагоцитоз с последующим перевариванием захваченного материала (в фагоцитах, остеокластах, антиген-представляющих клетках некоторых эпителиоцитах).

Объединение эндосом и лизосом в единую систему основано на наличии в их мембране АТФ-зависимого протонного насоса, вызывающего закисление среды внутри этих органелл. Низкие значения рН активируют ферменты - кислые гидролазы, которые транспортируются особыми гидролазными пузырьками, образующимися в комплексе Гольджи.

Мембрана зндосом и лизосом (толщиной около 6 нм) помимо наличия протонного насоса обладает рядом другах важных свойств: 1) она содержит рецепторы, обусловливающие ее связывание с мембраной гидролазных и транспортных пузырьков, а также фагосом, 2) обеспечивает свободную диффузию низкомолекулярных продуктов переваривания макромолекул в гиалоплазму, (3) в неповрежденном состоянии представляет собой барьер, резистентный к действию литических ферментов и препятствующий их утечке в гиалоплазму.

Эта мембрана стабилизируется гормонами кортикостероидами, а ее повреждение (в результате осмотического воздействия, замораживания-оттаивания, действия ультразвука, высокой температуры, некоторых веществ и др.) приводит к разрушению клетки вследствие самопереваривания литическими ферментами.

Эндосомы - мембранные пузырьки с постепенно закисляющимся содержимым, которые обеспечивают перенос макромолекул с поверхности клетки в лизосомы и их частичный или полный гидролиз на стадиях, предшествующих лизосомальному уровню деградации. В связи с указанными свойствами совокупность эндосом в настоящее время считают не просто механизмом транспорта веществ в клетке (как полгали ранее), а частью системы их переваривания ("внутриклеточного пищеварительного тракта"), в которую входят также лизосомы.

Рис. 1, Аппарат внутриклеточного переваривания: эндосомы и лизосомы. КГ - комплекс Гольджи, ГП - гидролазные пузырьки, ОЯ - окаймленная ямка, ОП - окаймленный пузырек, РЭ - ранняя эндосома, ПР - пузырек рециклирования, ПЭ - поздняя эндосома, Л - лизосома, ГФ -гетерофагосома, АФ - аутофагосома, ОТ - остаточное тельце, МВТ - мультивезикулярное тельце.

Процесс переноса веществ системой эндосом (по эндоцитозному пути) может протекать с полным перевариванием макромолекул, с их частичным расщеплением или без изменения по ходу транспорта в лизосому. Способность к перевариванию в эндосомах обеспечивается благодаря тому, что кислые гидролазы вносятся в эндоцитозный путь уже на самых ранних его этапах.

Путь транспорта и деградации веществ в клетке можно описать последовательностью: ранняя (периферическая) эндосома - поздняя (перинуклеарная) эндосома - лизосома.

Условия расщепления макромолекул на указанном пути их переноса последовательно становятся все более жесткими. Эндосомы обеспечивают сравнительно мягкий контролируемый прелизосомальный этап переваривания, который необходим и достаточен для легко расщепляемых веществ и комплексов. Наибольшая активность и степень деградации веществ характерна для лизосом, куда переносятся наименее перевариваемые материалы. Благодаря такому устройству клетка рая полагает органеллами с широким спектром условий расщепления веществ.

Механизм перемещения веществ по эндоцитозному пути остается недостаточно понятным и описывается двумя моделями.

(1) модель челночных пузырьков основана на представлении о переносе поглощенных веществ между стабильными органеллами посредством транспортных пузырьков;

(2) модель созревания предполагает последовательное превращает ("созревание") одной органеллы в другую в пределах указанного пути (компоненты, необходимые для процесса созревания, например, гидролазы, доставляются пузырьками, сливающимися с созревающими эндосомами).

Ранние (периферические) эндосомы являются мембранными пузырьками на ранних этапах после их отделения от плазмолеммы (но уже после утраты первоначально имевшейся клатриновой оболочки). Они располагаются неподалеку от плазмолеммы в периферических отделах цитоплазмы (рис. 1). В них в условиях слабокислой среды (рН 6.0) осуществляется ограниченное и регулируемое переваривание макромолекул протеазами, которые были внесены в эндосому, по-видимому, еще на этапе ее формирования. В ранней эндосоме происходит отщепление лигандов от рецепторов с их сортировкой и возможным возвращением последних в специальных пузырьках в плазмолемму для повторного цикла их использования (рециклирования - от англ. recycling). В частности, в эyдосоме происходит расщепление комплексов рецептор-гормон (для пептидных гормонов), рецептор-фактор роста, антиген-антитело, а также ограниченный протеолиз (процессинг) антигенов, инактивация или активация ряда молекул. В этой связи раннюю эндосому называют также CURL (сокр. от англ. Compartment for Uncoupling Receptors and Ligands - компартмент для разделения рецепторов и лигандов).

Поздние (перинуклеарные) эндосомы получили свое назваше благодаря тому, что они образуются позднее ранних и располагаются в глубоких отделах цитоплазмы вблизи ядра. Они достигают диаметра 600-800 нм и характеризуются сравнительно плотным матриксом. Их отличает от ранних эндосом более кислое содержимое (рН 5.5) и более глубокий уровень переваривания ферментами. В них из ранних эндосом поступают продукты (лиганды), которые должны подвергнуться расщеплению. Большая часть этих продуктов, а также ферменты в дальнейшем будут направлены в лизосому (рис. 1). Предполагают, однако, что некоторые молекулы могут рециклироваться из поздней эндосомы в раннюю или даже направляться в плазмолемму.

Терминология отдельных компонентов системы эвдосом и лизосом еще окончательно не сложилась в связи с активно проводимыми в настоящее время исследованиями в этой области и пересмотром некоторых ранее принятых представлений. Поэтому поздние эндосомы некоторые авторы именуют зндолизосомами, или ранними лизосомами (поскольку они активно участвуют в процессах расщепления веществ), иногда эндолизосомы выделяют в качестве последнего самостоятельного прелизосомального компонента, входящего в эндоцитозный путь.

Лизосомы ранее традиционно подразделялись на первичные (неактивные) и вторичные (активные). В настоящее время в связи с усложнением представлений о системе эндосом и лизосом использование этих терминов считается более нецелесообразным.

Гидролазные пузырьки (ранее называвшиеся первичными лизосомами) - округлые мембранные органеллы диаметром до 200-400 с мелкозернистым плотным матриксом, содержащие литические ферменты в неактивной форме. В большинстве клеток они имеют очень малые размеры (порядка 50 нм), а их надежная идентификация возможна лишь путем демонстрации содержащихся в них ферментов. В фагоцитах они достигают наиболее крупных размеров (до 500 нм). Их перемещение в цитоплазме контролируется микротрубочками. Гидролазные пузырьки участвуют в транспорте литических ферментов в эндоцитозный путь из сети транс-Голъджи, где они подвергаются окончательным химическим преобразованиям и упаковываются в мембраны.

Литические ферменты гадролазных пузырьков синтезируются и наканливаются в ЭПС, далее переносятся в комплекс Гольджи, где модифицируются и упаковываются в мембранные пузырьки, окруженные клатриновой оболочкой, впоследствии исчезающей. Ош содержат олигосахаридные цепочки, имеющие маркер, благодаря которому они направляются не по общему секреторному пути, а сегрегируются в гидролазных пузырьках. В настоящее время известно около 60 таких ферментов; все они представляют собой кислые гидролазы (гидролитические ферменты с оптимумом рН~5) и включают протеазы, нуклеазы, гликолидазы, липазы, фосфорилазы, фосфатазы и сульфатазы. Ферментный состав гидролазных пузырьков, эндосом и лизосом неодинаков в клетках разных типов; он может различаться даже в отдельных эндосомах и лизосомах одной клетки. Около 20% литических ферментов встроено в мембрану гидролазных пузырьков и временно инактивировано в ней благодаря связи с липидами, примерно 80% находится в матриксе и также инактивировано вследствие отсутствия кислой среды и наличия в их молекуле углеводов. При случайной утечке небольшого количества ферментов из пузырьков отсутствие кислой среды в гиалоплазме защищает ее от разрушения.

Лизосомы (ранее называемые вторичными лизосомами) - органеллы, активно участвующие в завершающих этапах процесса внутриклеточного переваривания захваченных клеткой макромолекул посредством широкого спектра литических ферментов при низких значениях рН (5.0 и ниже). Они формируются с участием поздних эндосом. Диаметр лизосом обычно составляет 0.5-2 мкм, а их форма и структура могут существенно варьировать в зависимости от характера перевариваемого материала. Как и в случае гадролазных пузырьков, они достоверно идентифицируются только на основании выявления в них гидролититческих ферментов. Название отдельных видов лизосом основано на наличии в их просвете морфологачески распознаваемого материала; в его отсутствие используется общий термин лизосома. После переваривания содержимого лизосомы образующиеся низкомолекулярные вещества диффундируют через ее мембрану в гиалоплазму.

1) Фаголизосома формируется путем слияния поздней эндосомы или лизосомы с фагосомой, называемой также гетерофагосомой (от греч. heteros - другой, phagen - поедать и sopma - тело) - мембранного пузырька, содержащего материал, захваченный клеткой извне и подлежащий внутриклеточному перевариванию; процесс разрушения этого материала называется гетерофагией;

2) Аутофаголизосома образуется при слиянии поздней эндосомы или лизосомы с аутофагосомой (от греч. autos - сам, phagen - поедать и sopma - тело) - мембранным пузырьком, содержащим собственные компоненты клетки, подлежащие разрушению. Процесс переваривания этого материала называют аутофагией, Источником мембраны, окружающей клеточные компонента, служит грЭПС.

3) Мультивезикулярное тельце (от лат. Multi - много и vesicula - пузырек) представляет собой крупную (диаметром 200-800 нм) сферическую окруженную мембраной вакуоль, содержащую мелкие (40-80 нм) пузыри, погруженные в светлый или умеренно плотный матрикс. Оно образуются в результате слияния ранних эндосом с поздней, причем мелкие пузырьки формируются, вероятно, путем отпочковывания внутрь от мембраны вакуоли. Матрикс тельца содержит литические ферменты и, очевидно, обеспечивает постепенное разрушение внутренних пузырьков.

4) Остаточные тельца - лизосомы, содержащие непереваренный материал, которые могут длительно находиться в цитоплазме или выделять свое содержимое за пределы клетки. Распространенным типом остаточных телец в организме человека являются липофусциновые гранулы - мембранные пузырьки диаметром 0.3-3 мкм, содержащие труднорастворимый коричневый эвдогенный пигмент липофусцин. Под электронным микроскопом липофусциновые гранулы представляют собой структуры вариабельной формы, содержащие липидные капли, плотные гранулы и пластинки. В связи с их накоплением в некоторых клетках (нейронах, кардиомиоцитах) при старении, лшофусцин рассматривают Как "пигмент старения" или "изнашивания".

Секреция лизосомалъных ферментов за пределы клетки осуществляется у остеокластов - клеток, разрушающих костаую ткань, а также фагоцитов (нейтрофилов и макрофагов) при внеклеточном переваривании различных объектов. Избыточная секреция этих ферментов может приводить к повреждениям окружающих тканей.

Роль гетерофагии в нормальной деятельности клеток и значение ее нарушений. Гетерофагия играет очень важную роль в функции клеток всех тканей и органов. Дефицит тех или иных сомальных ферментов (обычно обусловленный наследственными аномалиями) может приводить к развитию ряда заболеваний, вызванных накоплением в клетках непереваренных веществ (чаще всего гликогена гликолипидов, гликозаминогликанов), которые нарушают их функцию (болезни накопления). При наиболее распространенных заболеваниях относящихся к этой группе, повреждаются нейроны, макрофаги, фибробласты и остеобласты, что клинически проявляется разнообразными по тяжести нарушениями строения и функции скелета, нервной системы, печени, селезенки.

В почке в результате гетерофагии клетки захватывают белки из просвета канальцев и расщепляют их до аминокислот, которые далее возвращаются в кровь. Гетерофагая в клетках щитовидной железы (тироцитах) обеспечивает отщепление йодсодержащих гормонов от белковой матрицы и последующее всасывание их в кровь. Нарушение процесса гетерофагии в указанных клетках вызывает тяжелые расстройства функции этих органов.

Особое значение гетерофагия имеет для клеток, осуществляющих защитную функцию, в основе деятельности которых лежит поглощение извне и переваривание частиц или веществ. Так, фагоциты (макрофаги и нейтрофильные лейкоциты) захватывают и переваривают микроорганизмы, попадающие в ткани макроорганизма или на их поверхность (например, эпителия слизистых оболочек). При отсутствии или недостаточной активности лизосомальных ферментов, разрушающих микробы (например, при ряде генетически обусловленных нарушений), эти клетки неспособны эффективно осуществлять защитные функции, что приводит к развитию тяжелых хронических воспалительных заболеваний.

Наиболее патогенные микроорганизмы ускользают от повреждающего действия фагоцитов, осуществляя это различным образом. Так, они (например, возбудитель проказы) обладают устойчивостью к действию лизосомальных ферментов; другие микробы (например, возбудитель туберкулеза) способны подавлять процесс слияния фагосом с лизосомами, некоторые могут ускользать от разрушения, разрывая мембраны фагосом или лизосом.

Роль аутофагии в нормальной деятельности клеток и значение ее нарушений. Аутофагия обеспечивает постоянное обновление ("омоложение") клеточных структур благодаря перевариванию участков цитоплазмы, митохондрий, скоплений рибосом, фрагментов мембраны (убыль которых компенсируется их новообразованием). Этот процесс обновления в клетке тонко отрегулирован, причем каждый ее компонент имеет определенную продолжительность жизни. Так, в нейронах пожилого человека, которые функционировали на протяжении многих десятилетий, большинство органелл не старше 1 мес. В клетках печени (гепатоцитах) большая часть цитоплазмы разрушается менее, чем за 1 нед. В некоторых случаях аутофагия может служить реакцией клетки ца недостаточное питание. Частным случаем аутофагии является кринофагия (от греч. krinein - отделяю, секретирую) - лизосомальное разрушение избытка невыведенного секрета в железистых клетках.

Пероксисомы

Пероксисомы (микротельца) по своему строению сходны с лизосомами. Они представляют собой мембранные сферические или удлиненные пузырьки диаметром 0.05-1.5 мкм с умеренно плотным однородньм или мелкозернистым содержимым (матриксом), в котором иногда выявляется более плотная сердцевина (нуклеоид), имеющая кристаллическое строение и состоящая из фибрилл и трубочек. Мелкие пероксисомы (микропероксисомы) диаметром 0.05-0.25 мкм встречаются во всех клетках, крупные (макропероксисомы) диаметром 0.3-1.5 мкм - в гепатоцитах, макрофагах, клетках проксимальных почечных канальцев. Число пероксисом варьирует в клетках разных типов; в гепатоцитах оно составляет в среднем 500, а занимаемый ими относительный объем - около 2% объема клетки. Пероксисомы обновляются каждые 5-6 дней.

Матрикс пероксисом содержит до 15 ферментов, состав которых может варьировать. Наиболее важные из них - пероксидаза, каталаза (на которую приходится до 40% общего белка органеллы), оксидаза D-аминокислот и уратоксидаза. Нуклеоид пероксисомы соответствует области конденсации ферментов.

Образование пероксисом происходит в ЭПС, путем отпочковывания от элементов аЭПС; их ферменты синтезируются частично в грЭПС, частично - в гиалоплазме. По некоторым представлениям, пероксисомы образуются вследствие расщепления ранее существующих, растущих благодаря постоянному поступлению ферментов. Мембрана пероксисомы высокопроницаема для ионов и низкомолекулярных субстратов.

Функции пероксисом. Пероксисомы (наряду с митохондриями) - главный центр утилизации кислорода в клетке. В результате окисления аминокислот, углеводов и других соединений в клетках образуется сильный окислитель - перекись водорода (Н2О2), которая далее благодаря действию каталазы пероксисом распадается с выделением кислорода и воды. Пероксисомы защищают клетку от действия перекиси водорода, оказывающей сильный повреждающий эффект.

Крупные пероксисомы печени и почек играют важную роль в обезвреживании ряда веществ. Например, в них окисляется около 50% поглощенного этилового спирта. Помимо реакций детоксикации, ферменты пероксисом катализируют расщепление жирных кислот, участвуют в ряде катаболических и анаболических реакций, в частности, в обмене аминокислот, оксалата и полиаминов. Некоторые из этих реакций протекают исключительно в пероксисомах, отчего их повреждение может привести к серьезным обменным нарушениям.

В настоящее время открыт новый класс наследственных заболеваний человека, насчитывающий не менее 12 нозологических единиц - пероксисомные болезни, развитие которых обусловлено дефектом активности пероксисом. При этих болезнях поражаются различные органы, часто развиваются тяжелые нарушения нервной системы, вызывающие смерть больных в детском возрасте.

2. Оогенез. Микроскопическое и субмикроскопическое строение яйцеклеток. Классификация яйцеклеток

органелла внутриклеточный оогенез яйцеклетка

Онтогенез -- индивидуальное развитие особи, совокупность ее взаимосвязанных преобразований, закономерно совершающихся в процессе осуществления жизненного цикла от момента образования зиготы до смерти.

У многоклеточных животных, размножающихся половым способом, онтогенез подразделяется на эмбриональный (от образования зиготы до рождения или выхода из яйцевых оболочек) и постэмбриональный (от выхода из яйцевых оболочек или рождения до смерти организма) периоды. Зигота образуется в результате слияния мужской и женской половых клеток -- гамет. Гаметы формируются в половых железах в зависимости от организма, мужского или женского. Процесс развития гамет называется гаметогенезом. Процесс образования сперматозоидов называется сперматогенезом, а образование яйцеклеток -- овогенезом.

Строение. Яйцеклетка окружена оболочками, среди которых различают первичные, вторичные и третичные. Первичной оболочкой является плазмолемма. Вторичные оболочки образуются в результате секреторной деятельности фолликулярных клеток (zona pellucida и corona radiatа - у высших млекопитающих), а третичные - в результате секреции клеток слизистой оболочки яйцевода или кожных желез (у птиц и пресмыкающихся).

Строение половых клеток самок (яйцеклеток). По сравнению со спермиями яйцеклетки, или овоциты, образуются в значительно меньшем количестве, поэтому на одну женскую половую клетку приходится множество мужских (рис. 2).

Размер яйцеклетки у одного и того же животного превышает размер спермия во много раз. Диаметр овоцитов может варьировать от 100 мкм до нескольких миллиметров, что обусловлено количеством желтка (включение цитоплазмы), необходимого питательного материала для развития зародыша.

Яйцеклетки позвоночных овальной формы, неподвижны, состоят из ядра и цитоплазмы. Шаровидной формы и большого размера ядро построено, как и у соматической клетки, из хроматина, ядрышка, кариолимфы и кариолеммы. Ядро содержит гаплоидный (одинарный) набор хромосом. Яйцеклетки млекопитающих относят к гомогаметным, так как в их ядре имеется только Х-хромосома. Ядрышко крупное. Его размер и строение свидетельствуют об интенсивном синтезе рибосом и РНК.

Рис. 2. Яйцеклетка млекопитающих

1 - яйцо; 2 - ядрышко; 3 - цитоплазма; 4 - первичная оболочка; 5 - вторичная оболочка.

Для цитоплазмы характерна относительно высокая степень базофилии, обладающей сродством с РНК. В ней содержатся свободные рибосомы, эндоплазматическая сеть, комплекс Гольджи, митохондрии, мультивезикулярные тельца, желток. В образовании последнего активное участие принимают эндоплазматическая сеть и комплекс Гольджи. Желток, являясь цитоплазматическим включением, имеет вид гранул, 00шаров и пластин; состоит из протеинов, углеводов, фосфолипидов.

Овоциты обладают полярностью. Это объясняется неравномерным расположением желтка и других цитоплазматических структур, в связи с чем в овоците различают два полюса: апикальный и базальный.

Периферический слой цитоплазмы яйцеклетки называют кортикальным слоем (cortex - кора). Он лишен полностью желтка, содержит множество митохондрий. Функции у этого слоя - перенос питательных веществ и участие в развитии зародыша на самых ранних стадиях эмбриогенеза.

Яйцеклетки покрыты оболочками. Различают первичную, вторичную и третичную оболочки. Первичная оболочка - это плазмолемма, поэтому она присутствует всегда. Вторичная оболочка является производной фолликулярных клеток яичника. Она состоит из фолликулярных клеток и выполняет трофическую, защитную функции, препятствует полиспермии (оплодотворение яйцеклетки многими спермиями) и особенно хорошо развита у млекопитающих. Третичная оболочка овоцита формируется из материала, секретируемого клетками яйцевода. Она играет защитную, а также трофическую функции и развита у пресмыкающихся и птиц. Третичными оболочками яйцеклетки птиц являются белок, подскорлуповая и скорлуповая оболочки яйца.

Таким образом, яйцеклетки в связи с выполняемыми ими функциями обладают рядом морфологических особенностей: наличием запаса питательного материала (желтка), кортикального слоя, специальных оболочек, полярностью, генетической однородностью (Х-хромосомой).

Классификация яйцеклеток. Усложнение эмбриогенеза в ряду хордовых незначительно сказалось на строении половых клеток самцов, тогда как в яйцеклетках наблюдается постепенное нарастание содержания питательных веществ (желтка). По количеству желтка различают яйцеклетки с малым количеством желтка - олиголецитальные (oligos - мало, lecytos - желток), со средним количеством - мезолецитальные (mesos - средний) и с большим количеством желтка - полилецитальные (роly - много).

По месту расположения желтка в цитоплазме различают яйцеклетки с равномерным распределением желтка - изолецитальные, или гомолецитальные (isos, homos - одинаковый, сходный), и с локализацией желтка у одного полюса - телолецитальные (telos - край, конец). Олиголецитальные и изолецитальные яйцеклетки у ланцетника и млекопитающих. Если у ланцетника это связано с наличием в их развитии личиночной стадии (личинка сама для себя добывает питательный материал), то у млекопитающих - в связи с внутриутробным развитием. Мезолецитальные и телолецитальные яйцеклетки - у амфибий, некоторых рыб, а полилецитальные и телолецитальные - у многих рыб, пресмыкающихся, птиц и яйцекладущих млекопитающих.

Размещено на Allbest.ru