1 Цитология ее цели и задачи. Этапы развития цитологии
 Скачать 167.31 Kb.
|
|
Эукариоты (ядерные). Они крупнее, сложнее организованы и эволюционно более поздние. К ним относятся растения, животные и грибы. Самый главный отличительный признак – наличие оформленного ядра, отделенного от гиалоплазмы двойной мембраной. В гиалоплазме есть органоиды. Есть цитоскелет. Он организует цитоплазму, обеспечивает циклоз (движение цитоплазмы). Мембрана мембранных органоидов организована липопротеинами. Все мембраны закрытые. Внутренние мембраны ограничивают полости или участки клетки, закрывая их со всех сторон, ограничивая от цитоплазмы. Такое разделение цитоплазмы на отсеки называется компартментализацией. Для чего это нужно. Это необходимо для изоляции различных химических реакций и продуктов. Также внутренние мембраны являются местом прикрепления ферментов. Основные компартменты эукариотической клетки: Ядро – место хранения и синтеза поленуклеиновых кислот.. 6% от объема клетки. Цитозоль – окружающая его цитоплазма с цитоплазматическими органоидами. 45-55% ЭПР. Гранулярный и агранулярный. На гранулярном располагаются рибосомы, синтезирующие мембранные и экспортные белки. 10% Комплекс Гольджи. Осуществляется процесс сегрегации (обособления), накопления, созревания и выведения органических веществ. 6% Митохондрии и пластиды, осуществляющие синтез АТФ. 22% Лизосомы осуществляют расщепление веществ. 1% Пероксисомы – обеспечивают проведение окислительных реакций с помощью ферментов (каталаза – 40%). 1% 7) Цитоплазматическая мембрана. Современные представления о строении мембран. Все без исключения клеточные мембраны построены по общему принципу: тонкие липопротеидные пленки, в который включены молекулы белка. В весовом отношении, в зависимости от типов мембран, на долю липидов приходится от 25% до 60%, а на долю белков от 40% до 70%. Углеводы – необязательный компонент биомембран. От 2% до 10%. Внутренние мембраны в клетке замыкаются сами на себя, таким образом, что образуют полости и тем самым разделяют цитоплазму на отсеки (компартменты). Внутреннее их содержание всегда отличается от содержимого гиалоплазмы. Толщина – 6-10нм. По массе около 4%. По общей площади внутренние мембраны существенно превышают наружную мембрану – плазмолемма. Структурной основой биологических мембран всегда является двойной слой липидов. К липидам относится большая группа веществ, обладающих плохой растворимостью в воде и хорошей растворимостью в органических соединений. Характерными липидами, формирующими бислой, являются фосфолипиды. Характерной особенностью липидов является разделение их молекул на две функционально различные части: неполярные хвосты из двух остатков жирных кислот и полярная заряженная головка. Полярные головки имеют либо отрицательный, либо нейтральный заряд. Наличие хвостов объясняет хорошую растворимость липидов в жирах и органических растворителях. Если полярные липиды смешать с водой, то образуется эмульсия (мицелла). При этом гидрофобные участки будут стараться образовать однородную фазу, а заряженные «головки» будут выворачиваться в сторону воды. Если к липидам добавить немного воды, гидрофобные хвосты, мицеллы будут вывернуты наизнанку и гидрофобные хвосты будут торчать наружу. Эта способность – самопроизвольное образование мембранных структур в бислой. Амфипатические участки (амфифильные) – участки, по разному относящиеся к воде. В определенных условиях формируется двойной слой. Качественный и количественный состав липидов мембран различен: плазматические мембраны клеток животных богаты холестерином (30%). В мембранах митохондрий мало холестерина, но много белков. В целом, для плазматической мембраны характерно преобладание насыщенных и мононенасыщенных жирных кислот в составе фосфолипидов, тогда как во внутренних мембранах наоборот – много полиненасыщенных жирных кислот. Плазмолемма более жесткая, более стабильная. 1971 год. Сингер и Николсон. Современная модель. Жидкостно-мозаичная модель. Согласно ей, мембрана состоит из неплотно упакованных белковых глобулярных структур, встроенных в липидный бислой. 70% липидных молекул не связана с белками. Белковые молекулы как бы плавают в липидном слое. В среднем в мембранах белки по массе составляют 50%. Так как липидные молекулы маленькие и легкие, то их число по отношению к белкам всегда выше в несколько раз. Связь между липидами и белками осуществляется с помощью солевых и ионных связей. Большая часть белком взаимодействует с липидами на основе гидрофобных взаимодействий. Мембранные белки, которые встраиваются в бислой также в своей молекуле имеют гидрофобные и гидрофильные участки. Такой белок относится к интегральным белкам и очень жестко взаимодействует с липидами. Размер интегральных белков равен 8 нм. Встречаются до 35нм. Обычно интегральные белки ассиметричны по своей природе. С цитоплазматической стороны интегральные белки связываются с периферическими белками. Они обеспечивает взаимодействие мембран с субмембранными структурами. Неполярные участки белков находятся вместе с полярной головкой фосфолипидов. Могут пронизывать мембрану в нескольких участках (5-6 гидрофобных участков). Полуинтегральные – погружены лишь на половину. Рецепторная функция. 8) Надмембранные структуры эукариотических клеток. У животных .Гликокаликс. Эукариотические клетки животных не образуют клеточных стенок, но на поверхности их плазматической мембраны есть сложный мембранный комплекс – гликокаликс, который выполняет в клетке важные функции. Он образован системой периферических белков мембраны, углеводными цепями мембранных гликопротеинов и гликолипидов, а также надмембранными участками интегральных белков, погруженных в мембрану. Гликокаликс выполняет ряд важных функций: он участвует в рецепции молекул, содержит молекулы межклеточной адгезии, отрицательно заряженные молекулы гликокаликса создают электрический заряд на поверхности клеток. Определенный набор молекул на поверхности клеток является своеобразным маркером клеток, определяя их индивидуальность и узнаваемость сигнальными молекулами организма. Это свойство имеет очень большое значение в работе таких систем как: нервная, эндокринная, иммунная. В ряде специализированных клеток (например: во всасывающих клетках кишечного эпителия) гликокаликс несет основную функциональную нагрузку в процессах мембранного пищеварения. К сложным надмембранным образованиям животных клеток относятся разного вида кутикулы, характерные для многих групп беспозвоночных животных (членистоногих, червей, моллюсков, асцидий). Структура кутикул разного вида будет рассмотрена в соответствующих главах, посвященных покровным эпителиям позвоночных и беспозвоночных животных. Таким образом мы видим, что плазматическая мембрана является важнейшим компонентом про- и эукариотических клеток. Она во многом определяет жизнеспособность клетки и обеспечивает условия для успешного выполнения клеткой ее функций. У растений.Основным компонентом клеточной стенки растительных клеток является сложный углевод – целлюлоза. Длинные молекулы целлюлозы, соединяясь друг с другом, образуют микрофибриллы толщиной 10-30 нм. Они, в свою очередь образуют витые как канат нити большего диаметра (0,5 мкм) и длинной до 5 мкм – макрофибриллы. Прочность их очень велика и сравнима с прочностью стальной проволоки. Слои макрофибрилл располагаются под углом друг к другу, создавая мощный многослойный каркас. Кроме целлюлозы, в состав клеточной стенки входят другие полисахариды (гемицеллюлоза, пектин, лигнин). Они придают стенке дополнительную жесткость. Кроме полисахаридов, в состав клеточных стенок растений входят жироподобные вещества, предотвращающие излишнее испарение воды из клетки. Клеточные стенки соседних клеток плотно прилегают друг к другу, но между ними остается узкий промежуток – срединная пластинка, состоящая из пектинов, и выполняющая роль межклеточного вещества, по которому транспортируются вода, ионы, различные молекулы. После того, как клетка прекращает рост, изнутри начинает откладываться вторичная оболочка, имеющая большую прочность, чем первичная. Обычно она трехслойная. В клетках, имеющих вторичную оболочку, цитоплазма гибнет и они превращаются в опорные элементы или трубочки, проводящие воду. Роль цитоплазматической мембраны в формировании клеточной стенки определяющая. Синтез целлюлозных фибрилл происходит с помощью ферментных комплексов, встроенных в мембрану и имеющих форму розеток. Характер распределения этих розеток по мембране при образовании первичной или вторичной оболочек (он разный) также определяет плазматическая мембрана и субмембранный комплекс. 9) Микрофибриллярная система или система микрофиламентов (актин-миозин). Микрофиламенты встречаются во всех клетках эукариот. Особенно они обильны в мышечных волокнах и клетках – высокоспециализированных клетках, выполняющих функции сокращения мышц. Микрофиламенты (МФ) входят также в состав специальных клеточных компонентов, таких как микроворсинки, ленточные соединения эпителиальных клеток, в состав стереоцилий чувствительных клеток. МФ образуют пучки в цитоплазме подвижных клеток животных, и образуют слой под плазматической мембраной – кортикальный слой. У многих растительных клеток и клеток низших грибов они располагаются в слоях движущейся цитоплазмы. Основным белком микрофиламентов является актин. Актин – неоднородный белок, в различных клетках могут быть разные его варианты или изоформы, каждая из которых кодируется своим геном. Так, у млекопитающих есть 6 различных актинов: один в скелетных мышцах, один в сердечной мышце, два типа – в гладких мышцах (один из них в сосудах), и два, немышечных, цитоплазматических актина, являющихся универсальным компонентом любых клеток млекопитающих. Все эти изоформы актина очень сходны по аминокислотным последовательностям, вариантными в них являются концевые участки, которые определяют скорость полимеризации, но не влияют на сокращение. Такое сходство актинов, несмотря на некоторые отличия, определяет их общие свойства. Актин имеет молекулярный вес около 42 тыс. и в мономерной форме имеет вид глобулы (G-актин), содержащей в своем составе молекулу АТФ. При его полимеризации образуется тонкая фибрилла (F-актин) толщиной 8 нм, представляющая собой пологую спиральную ленту. Актиновые микрофиламенты полярны по своим свойствам. При достаточной концентрации G-актин начинает самопроизвольно полимеризоваться. При такой спонтанной полимеризации актина на образовавшейся нити микрофиламента один из ее концов быстро связывается с G-актином (+)- конец микрофиламента) и поэтому растет быстрее, чем противоположный (минус-конец). Если концентрация G-актина будет недостаточной, то образовавшиеся фибриллы F-актина начинают разбираться. В растворах, содержащих т.н. критическую концентрацию G-актина, будет устанавливаться динамическое равновесие между полимеризацией и деполимеризацией, в результате чего фибрилла F-актина будет иметь постоянную длину ( 247). Из этого следует, что актиновые микрофиламенты представляют собой очень динамичные структуры, которые могут возникать и расти или же, наоборот, разбираться и исчезать в зависимости от наличия глобулярного актина. На растущем конце нити актина встраиваются мономеры, содержащие АТФ. По мере нарастания полимера происходит гидролиз АТФ, и мономеры остаются связанными с АДФ. Молекулы актина, связанные с АТФ, прочнее взаимодействуют друг с другом, чем мономеры, связанные с АДФ. В клетках такая, казалось бы, неустойчивая фибриллярная система, стабилизируется массой специфических белков, ассоциирующих с F-актином. Так, белок тропомиозин, взаимодействуя с микрофиламентами, придает им необходимую жесткость. Целый ряд белков, например филамин и a-актинин образуют поперечные скрепки между нитями F–актина, что приводит к образованию сложной трехмерной сети, придающей гелеобразное состояние цитоплазме. Другие дополнительные белки могут связывать филаменты в пучки (фимбрин) и т.д. Кроме того, существуют белки, взаимодействующие с концами микрофиламентов и предотвращая их разборку, стабилизируют их. Взаимодействие F–актина со всей этой группой белков регулирует агрегатное состояние микрофиламентов, их рыхлое или наоборот тесное расположение, связь их с другими компонентами. Особую роль при взаимодействии с актином играют белки миозинового типа, которые образуют вместе с актином комплекс, способный к сокращению при расщеплении АТФ (см. ниже) ( 262). Таким образом, МФ представляют собой фибриллы полимеризованного актина, связанного с многими другими белками. В принципе микрофиламенты во всех немышечных клетках могут осуществлять по крайней мере два ряда функций: быть частью сократительного аппарата, взаимодействуя с моторными белками (миозин), или участвовать в формировании скелетных структур, способных к собственному движению за счет процессов полимеризации и деполимеризации актина. Особенно много сведений о цитоскелете, и о микрофиламентах получено при изучении фибробластов в культуре ткани, обладающих способностью к амебоидному движению. Эти клетки не имеют ответственных за движение постоянных фибриллярных структур, их фибриллярный аппарат все время находится в реорганизации: часть фибриллярных элементов разбирается в одних участках клетки и новообразуется в других. Обычно ползущий по поверхности субстрата фибробласт поляризован: у него есть движущийся конец и “хвостовой” отдел. На движущемся конце, который часто более распластан по субстрату, чем боковые и хвостовые участки фибробласта, постоянно возникают и убираются тонкие нитевидные или пластинчатые выросты – ламеллоподии. Это – ведущий край клетки (ламеллоплазма). Который и обеспечивает движение фибробласта вперед. В таком движущемся фибробласте с помощью антител можно узнать места расположения актина. Он будет распределяться по трем основным частям клетки: он в виде тонкого слоя (1) располагается по всему периметру клетки под плазматической мембраной. Это кортикальный (cortex – кора) слой. Обильно актин выявляется в выростах цитоплазмы ведущего края клетки (2) и (3) в пучках актиновых филаментов, отходящих от ведущего края вглубь клетки ( 245). Кортикальный слой состоит из плотной трехмерной сети актиновых филаментов, ассоциированных с плазматической мембраной (таб. ). Он обеспечивает механическую устойчивость поверхностному слою цитоплазмы и создает условия, позволяющие клетке изменять свою форму и двигаться. Этот слой постоянно меняет свое агрегатное состояние, переходя из состояния структурированного геля в жидкий золь. Такие переходы гель-золь связаны с изменениями в структуре кортикального слоя. Здесь в ассоциации с актиновыми филаментами находятся фибриллярные белки-стабилизаторы (например, филамин), которые образуют сшивки в местах пересечения филаментов, что придает жесткость всему кортикальному слою. Однако эта жесткость может быть легко снята за счет взаимодействия с другими белками, такими как гельзолин, которые вызывают фрагментацию и разборку филаментов и тем разжижают гель. Такая перестройка подмембранного слоя особенно выражена в ведущем крае, что позволяет быстро менять форму его поверхности, образовывать ламеллоподии и двигаться вперед. С другой стороны сеть актиновых филаментов способна к сокращению, т.к. в ней обнаружены короткие миозиновые агрегаты. Это приводит или к втягиванию ламеллоподий или же к подтаскиванию клеток вперед. Сеть актиновых филаментов в ведущем крае организована более определенно, чем в остальном кортексе. Здесь от небольших начальных выростов плазмалеммы внутрь клетки отходят пучки актиновых филаментов, оканчивающихся своими (+)-концами на плазматической мембране. Сам процесс образования актиновых филаментов и их роста в зоне ламеллоплазмы зависит от ряда регуляторных белков. Один из них белок WASp/Scar связывается с плазматической мембраной. В его составе есть участки, связывающиеся с актином, другой специальный белковый комплекс Arp2/3, который связывается с (-)-концом растущей цепи полимера, препятствуя его деполимеризации. Такие сложные взаимодействия двух групп регуляторных белков приводят к тому, что на границе с плазматической мембраной происходит надстраивание растущих филаментов, которые могут прогибать плазматическую мембрану так, что возникает тонкий вырост – филоподия ( 250). Иначе происходит полимеризация актина при образовании ламеллоподий. Здесь также ведущую роль играют белки WASp/Scar, которые закрепляются на плазматической мембране и связываются с комплексом Arp2/3и прикрепляют его к боковой поверхности уже готовой актиновой фибриллы. Комплекс Arp2/3 инициирует полимеризацию новой актиновой фибриллы, которая начинает расти под углом около 700 по отношению к первичной нити актина и закрепляется на плазматической мембране. Таких новых белковых цепей возникает несколько, и они как бы веером простираются к плазматической мембране и толкают ее вперед. Так образуется псевдоподия или ламеллоподия ( 251) За счет наращивания актиновых филаментов на (+) концах. Одновременно с этим происходит деполимеризация тех (-) концов филаментов, которые не заблокированы комплексами Arp2/3 и подвергаются воздействию белков, способствующих деполимеризации МФ. Таким образом сложный процесс роста МФ приводит к перемещению в пространстве края движущейся клетки. По мере возникновения ламеллоподий их плазматическая мембрана с помощью белков интегринов образует с субстратом фокальные контакты, от которых отходят пучки актиновых филаментов, участвующие уже в другой форме подвижности, связанной со взаимодействиями между актиновыми филаментами и моторными белками-миозинами. Миозины являются одним из составных компонентов МФ. Основная работа по перемещению клеток или их внутренних компонентов с помощью МФ происходит за счет работы акто-миозинового комплекса, где актиновые фибриллы играют роль направляющих (“рельсы”), а миозины – транслокаторы. Весь акто-миозиновый комплекс представляет собой АТФ-азу, и движение происходит за счет энергии гидролиза АТФ. Миозины представляют собой семейство сходных белков. У всех из них есть головная (моторная ) часть, отвечающая за АТФ-азную активность комплекса, шейка, которая связана с несколькими регуляторными белковыми субъединицами и хвост, характерный для каждого типа миозина, определяющего специфичность функции в клетке. Существуют три основных типа миозинов. Миозин II и миозин V являются димерами, у которых a-спиральный участок хвоста образует сверхспиральный палочковидный участок. Миозин I представляет собой мономерную молекулу ( 252). Две молекулы миозина II могут ассоциировать друг с другом, образуя биполярную толстую фибриллу, участвующую в мышечном сокращении, при сокращении внутриклеточных пучков МФ и при делении клетки. Миозины I и V типа участвуют во взаимодействиях между элементами цитоскелета и мембранами, например в транспорте везикул. Механизмы работы актомиозиновых комплексов очень сходен, независимо от типа миозина: он начинается со связи миозиновой головки с актиновым филаментом, ее изгибанием и последующим откреплением. За каждый цикл миозиновая головка перемещается в направлении (+)-конца актинового филамента на 5-25 нм при гидролизе одной молекулы АТФ. Таким образом происходит однонаправленное смещение или скольжение МФ относительно молекул миозина |