Особенности различных клеточных мембран

ЭПР был открыт К. Портером в 1945г. в ходе электронномикроскопических исследований клетки.

ЭПР представляет собой систему полостей, цистерн и каналов, отгороженных от остальной цитоплазмы мембраной и соединяющихся друг с другом. Эндоплазматический ретикулум – «государство в государстве»: все его полости и цистерны непрерывно соединены, и нигде не открываются ни в цитоплазму, ни во внеклеточную среду. Более того, и перинуклеарное пространство (пространство между двумя мембранами оболочки ядра) является частью эндоплазматического ретикулума, оно также ни на одном участке не соединено ни с цитоплазмой, ни с кариоплазмой ядра. ЭПР обеспечивает функциональную взаимосвязь всех органоидов клетки между собой, объединяет все внутриклеточные мембранные структуры в единую систему, пространственно разделяет клетку. По системе каналов осуществляется транспорт веществ.

Эндоплазматический ретикулум имеется у всех эукариот и существует в виде двух типов: гранулярного (шероховатого) эндоплазматического ретикулума и агранулярного (гладкого) эндоплазматического ретикулума.

Гранулярный – грЭПР (шероховатая ЭПС) представлен системой взаимосвязанных плоских цистерн, на поверхности которых расположены рибосомы. Таким образом часть рибосом свободно плавает в цитоплазме, а другая часть «сидит» на грЭПР. Зачем нужно разделение рибосом на две группы? Дело в том, что эти рибосомы синтезируют разные белки:

- на свободно плавающих рибосомах синтезируются белки цитоплазмы, ядра и некоторые белки митохондрий и хлоропластов (остальные белки этих двух органоидов синтезируются на их собственных рибосомах);

- на рибосомах гранулярного ЭПР синтезируются белки самого ретикулума, аппарата Гольджи, лизосом, наружной мембраны и белки, секретируемые клеткой.

Белки, которые синтезируются на рибосомах гранулярного ЭПР, сразу же попадают в полость ретикулума. Хотя рибосомы расположены на наружной (т. е. цитоплазматической) стороне мембраны ЭПР, белок в процессе синтеза «проталкивается» через эту мембрану во внутреннее пространство ретикулума. Уже потом из ЭПР белки попадут в различные органоиды, войдут в состав мембран или будут секретированы, но первым этапом их внутриклеточного путешествия служит эндоплазматический ретикулум. Белки, которые должны синтезироваться на рибосомах грЭПР и попасть в полость ретикулума, содержат на N-конце особую последовательность аминокислот – лидерный пептид. Эта последовательность служит как бы специальной меткой, благодаря которой клетка «распознает», какие белки должны попасть в полость ЭПР, а какие нет. В полости грЭПР лидерный пептид отщепляется.

Агранулярный – агрЭПР (гладкая ЭПС) образован системой разветвленных трубочек.

В полости агранулярного ЭПР происходит биосинтез липидов и полисахаридов;

агрЭПР выполняет и функцию депо: например, в сократимых клетках здесь происходит накопление ионов кальция. В состоянии покоя в цитоплазме клетки ионов Са²⁺ содержится около 10^-7М, а в полости эндоплазматического ретикулума – 2-3•10^-3М. Ионы Са²⁺ закачиваются в полости ретикулума специальным ферментом – Са²⁺-АТФ-азой, естественно, за счет энергии АТФ. Ведь перекачка идет оттуда, где Са²⁺ мало, туда, где его много, следовательно, затраты энергии необходимы. Функция запасания Са²⁺ особенно важна для мышечных клеток (cм. сокращение мышцы).

В агранулярном ретикулуме печени происходит детоксикация ядовитых веществ.

Трехмерная модель и электронная микрофотография ЭПР.

Пожалуй, одной из важнейших функций всего ЭПР является синтез клеточных мембран. Мембраны всех одномембранных клеточных органоидов (т. е. кроме мембран митохондрий и пластид), синтезируются в ЭПР. Ядерная мембрана, можно сказать, образована самим эндоплазматическим ретикулумом. К другим органоидам мембранный материал доставляется благодаря тому, что от ЭПР все время отшнуровываются небольшие мембранные пузырьки. Часть вакуолей имеет ретикулярное происхождение, то есть они образуются путем отшнуровывания от эндоплазматического ретикулума. Другие везикулы переносятся к аппарату Гольджи и сливаются с ним. От аппарата Гольджи также отшнуровываются мембранные пузырьки: одни образуют лизосомы, другие сливаются с наружной мембраной. Внутри этих пузырьков переносятся и белки.

Отшнуровывание мембранных пузырьков от цистерн ЭПР

и слияние их с пузырьками аппаратаГольджи (АГ)

Еще одной важной функцией эндоплазматического ретикулума является модификация белков. Расположенные здесь ферменты «умеют», например, присоединять к белкам углеводные остатки, формируя гликопротеины.

Таким образом, основными функциями ЭПР являются:

- компартментализация – разделение клетки на отсеки;

- «ферментативный конвейер» – мембрана ЭПР является поверхностью, с закрепленными на ней ферментами, на которой происходят все внутриклеточные процессы;

- биосинтез и модификация белков, липидов, углеводов;

- транспортировка различных веществ;

- депонирование различных веществ.

- формирование прочих одномембранных органоидов;

Комплекс Гольджи(аппарат Гольджи, пластинчатый комплекс).

Назван в честь Камилло Гольджи, который в 1898г. обнаружил его в нервных клетках. Он представляет собой целую систему мембранных пузырьков, анатомически не образующих внутри клетки единого пространства. Внутренность этих пузырьков нигде не соединяется с цитоплазмой, но, в отличие от эндоплазматической сети, не образует и единой непрерывной системы: связь между разными частями аппарата Гольджи осуществляется благодаря тому, что от одних его частей отшнуровываются мембранные пузырьки и сливаются с другими частями. Комплекс Гольджи обычно располагается около ядра.

Структурной единицей аппарата Гольджи является диктиосома – стопка из 3-13 уплощенных одномембранных замкнутых дискообразных цистерн диаметром 0,2-0,5 мкм. Количество самих диктиосом, формирующих в клетке аппарат Гольджи, может быть от одной до 20. Монодиктиосомный комплекс Гольджи более характерен животным клеткам, полидиктиосомный – клеткам растений и грибов, хотя подобная корреляция не является строгой.

Диктиосомы обладают полярностью (не симметричны). Полюс формирования («наружная» поверхность) представлен множеством везикул, отшнуровавшихся от ЭПР. Выше эти везикулы сливаются, образуя цистерны. Цистерны изогнуты, по краям имеют вздутия, и своей вогнутой стороной обращены в сторону секреторного полюса («внутренняя» поверхность). В центральной части комплекса Гольджи от цистерн отшнуровываются первичные лизосомы. На секреторном полюсе из цистерн образуются секреторные везикулы, которые направляются к плазмалемме и сливаются с ней, выплескивая содержимое за пределы клетки. Таким образом, комплекс Гольджи – это структура, пребывающая в постоянной динамике: всё новые цистерны образуются на полюсе формирования, оттесняя вышележащие к секреторному полюсу, где из них формируются секреторные везикулы.

Электронная микрофотография и схема диктиосомы в вертикаль­ном разрезе (увеличение фотографии – х50 000).

На схеме: стрелка – направление развития диктиосомы, красный цвет – модифицированные мембраны.

Функции комплекса Гольджи:

1) Модификация мембран. Здесь в состав мембран включаются необходимые мембранные белки и модифицируются мембранные липиды. Как вы помните, плазмалемма на 2-3нм толще мембран ЭПР, и прямой контакт между ними невозможен. Однако комплекс Гольджи, образующийся из везикул ЭПР, на секреторном полюсе образует везикулы, сливающиеся с плазмалеммой. Это возможно благодаря постепенной модификации липидного состава мембран в комплексе Гольджи (см. схемы справа).

2) Рост плазмалеммы, а, следовательно, и всей клетки.

3) Модификация белков. Этот процесс похож на такую же функцию эндоплазматического ретикулума, хотя конкретные химические реакции, идущие в этих двух органоидах, различаются.

4) Формирование первичных лизосом.

5) Клеточная секреция. Две последние функции тесно связаны еще с одной, крайне важной:

6) Сортировка белков. Этот процесс происходит по двум принципам: функциональному и пространственному.

а) Функциональная сортировка. От аппарата Гольджи отшнуровываются мембранные пузырьки, из которых одни сливаются с плазмалеммой, а другие превращаются в лизосомы. Естественно, в них должны попадать разные белки, и аппарат Гольджи сортирует белки в соответствии с их функцией: лизосомальные – в лизосомы, секретируемые – в секреторные пузырьки. Как это происходит?

- Все белки, которые будут транспортироваться в лизосомы, имеют в своем составе определенную последовательность аминокислот. Эта последовательность служит как бы сигналом: «поместите меня в лизосому».

- В полостях аппарата Гольджи имеется специальный фермент, который узнает лизосомальную последовательность и прикрепляет к белку моносахаридный остаток – маннозо-6-фосфат.

- На мембране аппарата Гольджи есть особый белок – рецептор маннозо-6-фосфата. Белки с маннозо-6-фосфатом (т. е. будущие лизосомальные) связываются с рецептором. Рецепторы маннозо-6-фосфата вместе со связанными белками попадают в специальные пузырьки, которые отшнуровываются от мембраны – незрелые лизосомы.

- На мембране лизосом имеется фермент, закачивающий в них ионы водорода Н⁺ (разумеется, закачивает он их за счет энергии АТФ).

- Внутри пузырька среда становится кислой (рН около 4,5-5), а в кислой среде лизосомальные белки отделяются от рецептора маннозо-6-фосфата. Теперь лизосома уже готова к работе, но на мембране еще остаются рецепторы маннозо-6-фосфата. Было бы непростительным расточительством терять их при образовании каждой новой лизосомы, и природа такого расточительства не допустила:

- рецепторы маннозо-6-фосфата собираются в определенных участках мембраны лизосомы, от нее отшнуровываются специальные пузырьки с этими рецепторами, которые затем сливаются с мембранами аппарата Гольджи, и рецепторы готовы к новому использованию для образования следующей лизосомы.

Задание.

В клетке произошла мутация, в результате которой все лизосомальные ферменты перестали попадать в лизосомы; однако если в полость аппарата Гольджи ввести лизосомальные ферменты из здоровой клетки, то они окажутся в лизосомах.

Какой фермент был поврежден в результате мутации?

Транспорт белков в лизосомы

а – будущий лизосомный блок; б – маннозо-6-фосфат; в – аппарат Гольджи;

г – рецептор маннозо-6-фосфата; д – отшнуровавшийся от аппарата Гольджи пузырек; е – первичная лизосома; ж – зрелый лизосомный белок

1 – транспорт из ЭПР; 2 – присоединение маннозо-6-фосфата; 3– связывание с рецептором маннозо-6-фосфата; 4 – рецепторзависимый транспорт;

5 – отделение белка от рецептора при кислом рН; 6 – АТФ-зависимый транспорт ионов Н+ в лизосому; 7 – возвращение рецептора маннозо-6-фосфата

б) Пространственная сортировка. Иногда клетки имеют различающиеся полюса. Например, в клетках эпителия кишечника одна сторона обращена в просвет кишки, а другая – к кровеносному сосуду. Их поверхности сильно различаются даже внешне (одна покрыта ворсинками, другая – нет); естественно, различаются и белки, расположенные на разных поверхностях. Аппарат Гольджи как раз и сортирует белки пространственно: одни отправляет к одному полюсу, другие – к другому. Впрочем, процесс пространственной сортировки в разных клетках протекает по-разному: в некоторых клетках белки распределяются по полюсам уже на мембране, тогда как в других главная роль принадлежит аппарату Гольджи.

7) Специфические функции в отдельных клетках. У одноклеточных организмов расширенные цистерны аппарата Гольджи образуют сократительные вакуоли. В передней части сперматозоидов расширенная цистерна аппарата Гольджи образует акросому, которая содержит литические ферменты, растворяющие оболочки яйцеклетки.

Лизосомы

Лизосомы открыл биохимик Де Дюв (1955г.).

Лизосомы («лизио» – растворяю и «сома» – тело) – одномембранные органоиды, рассеянные по цитоплазме и имеющие форму пузырьков разнообразной формы и размера, диаметром до 2 мкм. Количество лизосом в клетке колеблется от 10 до 100 и более. Их главная функция – клеточное пищеварение. Лизосомы характерны для клеток животных и грибов. У растений они не выявлены – их функции выполняют вакуоли. Лизосомы, содержат около 40 различных протеолитических ферментов (протеазы, нуклеазы, липазы и кислые фосфатазы). Лизосомальные ферменты активны только в кислой среде, поддерживаемой работой протонных насосов мембраны лизосом.

Как мы уже знаем, при отшнуровывании от периферической части аппарата Гольджи образуются мелкие первичные лизосомы (около 0,1мкм). Их дальнейшая судьба может быть различна, что связано с четырьмя основными выполняемыми лизосомами функциями:

Функции собственно первичных лизосом.

1) Экзоцитоз лизосомальных ферментов. При этом ферменты выделяются в окружающую среду и расщепляют вещества за пределами клетки. Примером могут служить сапрофитное питание грибов или деятельность остеокластов – специфических клеток костной ткани, формирующих полости трубчатых костей, разрушая ткань.

2) Автолиз – лизосомы могут использоваться для саморазрушения клетки. Вы помните, что в процессе метаморфоза головастика в лягушку у него исчезает хвост. Хвост не отваливается от головастика, просто в клетках хвоста нарушается целостность ли-зосомальных мембран, ферменты лизосом выходят в цитоплазму и переваривают клетку изнутри. Автолиз является конечным этапом сложного многоэтапного процесса – апоптоза – генетически запрограммированной клеточной гибели. Апоптоз непременно сопровождает онтогенез сложноорганизованных многоклеточных животных. Так разрушаются плавательные перепонки и хвост у зародыша человека.

Функции, связанные с формированием вторичных лизосом (пищеварительных вакуолей).

3) Гетерофагия. Как вы уже знаете, многие животные клетки обладают способностью к фагоцитозу, в ходе которого образуется фагосома (от 250 нм и больше). К аналогичному процессу – пиноцитозу, сопровождающемуся образованием более мелких эндосом (до 150 нм), способны почти все эукариотические клетки. После образования фагосомы или эндосомы к ней подходит первичная лизосома и эти два мембранных пузырька сливаются. Образовавшийся органоид носит название гетеролизосомы (фаголизосомы) и является одной из двух разновидностей вторичных лизосом.

4) Автофагия. Лизосомы могут расщеплять не только частицы, попавшие извне, – они способны переваривать собственные «состарившиеся» и неработающие органоиды, например митохондрии, рибосомы и т.д. При этом на первом этапе органоид обволакивается мембраной ЭПР, а далее, образовавшийся везикул сливается с первичной лизосомой. Образуется вторая разновидность вторичных лизосом – аутолизосома (цитолизосома). Аутолизосомы выполняют роль внутриклеточных чистильщиков, их количество возрастает при повреждении клеток, при стрессах, при различных генетических и инфекционных заболеваниях. Каким образом лизосомы различают органоиды «плохие» и «хорошие» – неизвестно.

Во вторичной лизосоме есть пищеварительные ферменты, кислая среда (все это благодаря первичной лизосоме) и макромолекулы, которые можно расщеплять (крупные пищевые частицы из фагосомы, растворенные во внеклеточной жидкости молекулы, попавшие в эндосому или клеточные структуры). Пищеварительные ферменты будут расщеплять те макромолекулы, которые оказались во вторичной лизосоме, а продукты расщепления – аминокислоты, моносахариды и прочие полезные вещества – будут транспортироваться через лизосомальную мембрану в цитоплазму клетки.

Лизосома, содержащая непереваренные вещества, превращается в остаточное тельце. Остаточные тельца выводятся из клетки путем экзоцитоза, смешиваются с цитоплазмой в виде включений или накапливаются вплоть до гибели клетки. В последнем случае они могут вызывать различные патологические процессы (у человека известно около 12 врожденных заболеваний, при которых отмечается дисфункция лизосом).

Таким образом, различают 4 функциональных вида лизосом:

Первичная лизосома – содержит неактивные ферменты.

Два вида вторичных лизосом (пищеварительных вакуолей):

- гетеролизосома (фаголизосома) – возникает как результат соединения первичной лизосомы с фагосомой или эндосомой

- аутолизосома (цитолизосома) – образуются при соединении первичной лизосомы с компонентами самой клетки.

Остаточное тельце – содержит непереваренные вторичными лизосомами питательные вещества.

Задание.

1) Раствор аммиака сильно угнетает способность лизосом переваривать попавшие в них частицы. Почему?

2) Какую проблему вы видите в том, что лизосомы способны одновременно и к автофагии и к гетерофагии? Как эта проблема решена в клетке?

Прочие одномембранные органоиды

Секреторные вакуоли – это короткоживущие одномембранные пузырьки, которые образуются путем отшнуровывания от периферической части аппарата Гольджи. Секреторные вакуоли содержат разнообразные вещества (неактивные ферменты, или проферменты, медиаторы нервной системы, гормоны различной природы, полисахариды, липиды и т.п.), выводимые за пределы клетки путем экзоцитоза. Секреторные вакуоли хорошо видны в специализированных клетках экзокринных желез.

Пероксисомы(микротельца) – это одномембранные пузырьки диаметром 0,3-1,5 мкм, которые образуются путем отшнуровывания от цистерн гранулярного эндоплазматического ретикулума, а иногда сохраняют с ним связь весь период функционирования. Пероксисомы заполнены гранулярным матриксом и содержат разнообразные ферменты, например, каталазу, разлагающую пероксид водорода (2Н₂О₂ → 2Н₂О + О₂↑). В ряде случаев пероксисомы содержат и другие системы ферментов.

Сферосомы – это одномембранные пузырьки диаметром около 1 мкм, которые образуются путем отшнуровывания от эндоплазматической сети. Сферосомы характерны для клеток растений. Первичная сферосома (просферосома) накапливает липиды, увеличивается в размерах, затем утрачивает мембрану и превращается в масляную каплю. Кроме липидов в составе сферосом имеются ферменты, контролирующие превращения липидов – липазы.

Вакуоли – это заполненные жидкостью крупные одномембранные полости. Настоящие вакуоли имеются только у растений. Первично вакуоли образуются при слиянии мелких пузырьков, отшнуровывающихся от эндоплазматической сети. В ходе функционирования вакуолей в их состав могут включаться пузырьки, отшнуровывающиеся и от аппарата Гольджи. В молодой клетке растений содержится несколько вакуолей, которые в зрелой клетке сливаются в одну центральную вакуоль. Мембрана крупных вакуолей имеет собственное название – тонопласт. Содержимое вакуолей называется клеточным соком (концентрированный раствор органических кислот, сахаров, метаболитов, некоторых белков, неорганических солей, пигментов).

Функции вакуолей разнообразны:

- участие в формировании тургорного давления (осмотическое поступление воды);

- обеспечение окраски органов растений – цветков, плодов, почек;

- накопительное пространство для промежуточных продуктов обмена веществ растений (глюкоза, лимонная кислота);

- аккумуляция экскреторных веществ (пигменты, алкалоиды);

Для желающих: подробнее о вакуолях см. 10 класс «01 Особенности клеточной организации Растений и Грибов»