1 Цитология ее цели и задачи. Этапы развития цитологии
 Скачать 167.31 Kb.
|
|
22) Локализация в мембранах митохондрий основных звеньев окислительного фосфорилирования. Система митохондриального окисления - мультиферментная система, постепенно транспортирующая протоны и электроны на кислород с образованием молекулы воды. Все ферменты митохондриального окисления встроены во внутреннюю мембрану митохондрий. Только первый переносчик протонов и электронов - никотинамидная дегидрогеназа расположена в матриксе митохондрии. Этот фермент отнимает водород от субстрата и передает его следующему переносчику. Полный комплекс таких ферментов образует "дыхательный ансамбль" («дыхательную цепь»), в пределах которого атомы водорода отнимаются от субстрата, затем передаются последовательно от одного переносчика к другому, и, наконец, передаются на кислород воздуха с образованием воды. Существует строгая последовательность работы каждого звена в цепочке переносчиков. Эта последовательность определяется величиной РЕДОКС-ПОТЕНЦИАЛА (ОКИСЛИТЕЛЬНО- ВОССТАНОВИТЕЛЬНОГО ПОТЕНЦИАЛА, сокращенно - ОВП) каждого звена. ОВП - это химическая характеристика способности вещества принимать и удерживать электроны. Выражается в вольтах (V). Вещества с положительным ОВП окисляют водород (отнимают от него электроны), вещества с отрицательным ОВП окисляются самим водородом. Самый низкий ОВП имеет начальное звено цепи, самый высокий - у кислорода, расположенного в конце цепочки переносчиков. Таким образом, передача водорода идет от более низкого к более высокому ОВП. Перенос водорода и электронов возможен только в одном направлении - в порядке возрастания их ОВП: от -0.32V у никотинамидных дегидрогеназ (первого компонента главной цепи МтО) до 0.82V у О2, обладающего самым высоким редокс-потенциалом. На одной из стадий происходит разделение атомов водорода на Н+ и электроны. Протоны остаются временно в окружающей среде, а электроны идут дальше по цепи и в ее конце используются для активации О2. Кислород является конечным акцептором электронов. O2 + 4e----->2O-2 (полное восстановление кислорода) Все реакции, происходящие в дыхательной цепи, сопряжены. Переносчики водорода и электронов расположены в строгом порядке, в соответствии с величиной их редокс-потенциала. В настоящее время различают три варианта дыхательных цепей: 1)ГЛАВНАЯ (ПОЛНАЯ) ЦЕПЬ 2)УКОРОЧЕННАЯ (СОКРАЩЕННАЯ) ЦЕПЬ 3)МАКСИМАЛЬНО УКОРОЧЕННАЯ (МАКСИМАЛЬНО СОКРАЩЕННАЯ) ЦЕПЬ. 23) Митохондрия как полуавтономный органоид. Митохондрия – полуавтономный оргоноид. Митохондрии увеличиваются в количестве при делении клеток, при увеличении функциональной активности и нагружки клетки. Увеличение их количества происходути путем роста и деления материнских митохондрий. Делятся митохондрии путем перетяжки, или отпочковывания, или возникновения дочерних митохондрий внутри материнских. В матриксе митохондрий содержится собственная генетическая система, необходимая для процессов воспроизведения. Это митохондриальная ДНК, митохондриальные рибосомы. Эти структуры била обнаружены в 1963 году. Митохондриальная ДНК имеет кольцевую природу. У млекопитающих имеет молекулярную массу примерно 11000000, а у растений даже больше. Известно, что все митохондрии содержат несколько копий своего генома. От одной копии до десяти. Гистонов нет, линейная длина молекулы варьирует от 5 до 30 мкм. Из нуклеотидных оснований преимущественно гуанин и цитозин. Рибосомы вариабельны, с константой седиментации 55 – 75 s. В 1981 году была расшифрована нуклеотидная последовательность митохондриального генома человека. Было показано, что в митохондриях человека содержится 2 гена рРНК, 22 гена тРНК и 13 генов, которые кодируют белки. Репликация и транскрипция происходят в матриксе митохондрий и в этих процессах преобладает контроль со стороны ядерного генома. Делению или репродуцкии митохондрий обязательно предшествует репликация митохондриальной ДНК. И этот процесс происходит независимо от репликации ядерной ДНК. Но обычно тогда, когда уже ядерная ДНК вся реплицировалась. Происхождение и эволюцию митохондрий объясняют с позиции эндосимбиотической гипотезы. И эта же самая гипотеза представляет современные митохондрии прямыми потомками бактериального симбионта. Это особая группа фотосинтезирующих бактерий, которые утратили, внедрившись в организм хозяина, способность к фотосинтезу, но сохранили дыхательную функцию. Эти пурпурные бактерии, внедрившись в другую эукариотическую клетку, укоренились к ней. Все им там понравилось. Последние наблюдения цитологов после расшифровки генома показали, что митохондрии эволюционировали вместе со всеми эукариотами от одного общего предка. Эволюционно, митохондриальный и ядерная компоненты эукариот возникли одновременно. Окончательно оформились в новую теорию в начале 21 века. Функции митохондрии: 1) Энергетическая. Ситнез АТФ и обеспечение клеток энергией в результате клеточного дыхания. 2) Депо ионов кальция. Излишки кальция в виде ионов накачиваются в митохондрию за счет мембранного потенциала и большая часть этих ионов осаждается в матриксе митохондрий в витде фосфата кальция. 3) Место накопления включений и отложения в запас некоторых обменных веществ. Период жизни митохондрий короток. У человека они живут 9 суток. Более 10 суток митохондрии не живут, т.е., высокая степень обновления. 24) Хлоропласты - энергообразующие органоиды растительных клеток. Имеют удлиненную форму, размер 2-4мкм., а длина может быть 10мкм. Хроматофоры (огромные хлоропласты). Внутреннее пространство хлоропласта – люмен. 2 важных явления: фотосинтез, синтез энергии. Характерным для мембраны тилакоида является наличие хлорофилла, он способен поглощать кванты солнечного света и превращать энергию солнца в хим.энергию. Поглощение света с определенной длиной волны приводит к изменению хлорофилла. Он переходит в возбужденное состояние. И освобождающаяся энергия активированного хлорофилла через ряд промежуточных этапов передается на цепь переноса электронов, что приводит к синтезу АТФ и восстановлению переносчика, которым является 2 мононуклеотида (НАД и ФАД). Энергия расходуется на синтез диоксида углерода и синтез сахаров. Фотосинтез: световая и темновая фаза. Световая фаза протекает только на свету связана с поглощения света пигментом и проведением хим.реакции – реакция Хилла. В темновой фазе происходит фиксация и восстановление диоксида углерода (из атмосферы), что приводит к синтезу углерода, АМК и других веществ. В результате световой фазы происходит процесс фосфорилированивая, синтез АДФ и АТФ. А так же восстановление переносчика происходящего при гидролизе и фотолизе воды. В световой фазе фотосинтеза энергия солнечного света возбуждает электроны хлорофилла. Они переносятся по компонентам окислительной цепи в тилакоидной мембране, подобно тому, как электроны транспортируются по дыхательной цепи в митохондриях. В хлоропластах протоны перекачиваются из стромы (рН =8) в люмен (рН = 5) создавая градиент в 3 единицы рН. Этот градиент протонный создает на протонной мембране протон-движущую силу 200 мВольт, но она почти целиком обусловлена градиентом рН. По сравнению с дыхательной цепью митохондрий электроны движутся в другом направлении. Электроны берутся от воды, при ее фотолизе и передаются на переносчик с затратами энергии. Т.о. в световой фазе мы имеем: синтезированные молекулы АТФ и восстановленный переносчик. Оба продукта используются в темновой стадии. В темновой стадии за счет восстановленного НАД и АТФ происходит образование углеводов. Этот процесс многоступенчатый. В нем участвует большое количество ферментов. Цикл Кальвина. Увеличение числа хлоропластов, и образование других форм пластид происходит из структур-предшественников (пропластид). Пропластиды мелкие двумембранные пузырьки, без отличительных черт. Они отличаются от вакуолей цитоплазмы более плотным содержимым, наличием двух мембран. Пропластиды располагаются в делящихся тканях растений. Увеличивается число пропластид путем деления и почкования. При нормальном освещении пропластиды превращаются в хлоропласты (увеличиваются в размерах, происходит образование продольно расположенных мембранных складок. Одни формируют ламеллы, другие – тилакоиды). Если они развиваются в темноте, то сначала происходит увеличение объема пластид, но система внутренних мембран не образуется, образуется масса мелких пузырьков, которые скапливаются в отдельные зоны, формирующие сложные решетчатые структуры – проламеллярные тела (этиопласты). В их мембранах содержится протохлорофилл (желтого цвета), под действием света из них образуется хлоропласты и протохлорофилл может превратиться в настоящий хлорофилл (синтезируется мембраны, компоненты цепи переноса). 25) ЭПР. Строение и химический состав. ЭПР расположен близко к ядру. Эта область называется эндоплазма. Строение и количество элементов ЭПР зависит от функциональной активности клеток, стадий клеточного цикла и ее дифференцировки. Толщина мембран ЭПР – 5-6 нм, ширина просвета – 70 – 500 нм. Впервые структура была открыта Портером в 1945г. Примерно на 2/3состоит из белка, 1/3 из липидов. Разделяется на два типа: гладкий (агранулярный) и гранулярный (шероховатый). Гранулярный ЭПР представлен замкнутыми мембранами, которые образуют на сечениях вытянутые мешки, цистерны. Ширина полостей цистерн варьирует в зависимости от функции развития. Гранулярный ЭПР может быть представлен в клетке в виде разрозненных редких мембран или локальных скоплений таких мембран, которые называются эргастоплазма. Такой тип ЭПР встречаются в клетках, активно синтезирующих секреторные белки. Особенность гранулярного ЭПР – на поверхности мембран расположены рибосомы. Рибосомы образуют скопления, в общем виде называемые полисомы. Все рибосомы ЭПР – работают и синтезируют белок. Прикрепляются своей большой субъединицей. Количество рибосом на ЭПР четко связано с его синтетической активностью. Все рибосомы ЭПР участвуют в синтезе, так называемых, экспортных белков. Поэтому общая функция гранулярного ЭПР может быть определена, как синтез белков на рибосомах мембран и сегрегация их от остальных. Необходимо отметить, что в клетке синтез белков протекает на свободных полисомах. Полисома – группа рибосом, соединенная одной иРНК. На рибосомах ЭПР происходит синтез мембранных белков клетки. Отличие от других белков – не освобождаются от мембран, а встраиваются в них, становясь трансмембранными или полуинтегральными белками. На мембранах негранулярного ЭПР так же синтезируются липиды. Липиды встраиваются в мембрану ЭПР со стороны цитозоля, но переносятся на другую сторону с помощью переносчиков. За счет этого мембрана растет. Процесс синтеза липидов идет одновременно с синтезом интегральных белков и поэтому биомембрана строится и растет за счет двух процессов 1) синтез и встраивание липидов; 2) синтез и интеграция мембранных белков. Белки мембран ЭПР, АГ, плазмалеммы имеют одно происхождение: синтезируются и встраиваются в шероховатом ЭПР. Удаленные участки гранулярного ЭПР, которые располагаются в зоне, близкому к комплексу Гольджи, теряют рибосомы и образуют выступы, от которых отпочковываются вакуоли с продуктами синтеза. Это промежуточная зона ЭПР и комплексом Гольджи. Вакуоли, отщепившиеся от этой зоны, покрыты белком - клатрином. После его потери пузырьки сливаются друг с другом, транспортируются с помощью микротрубочек в цис-зону комплекса Гольджи, где сливаются с его мембранами под контролем ферментов. Таким образом, осуществляется транспорт синтезируемых белков в зону комплекса Гольджи. Гранулярный ЭПР осуществляет котрансляционный синтез белков, их первичную модификацию, соединение с олигосахаридом, т.е. гликозилирование. Образование гликопротеинов Синтез мембранных липидов и их встраивание в мембрану (сборка). Транспорт вакуолей, содержащих синтезированные продукты и их переход в цис-зону комплекса Гольджи. Гладкий ЭПР. Представляет собой часть мембраны вакуолярной системы. Так же мелкие вакуоли, каналы, трубочки, но гладкий ЭПР является вторичным по отношению к шероховатому. Диаметр вакуолей и канальцев 50-100 нм. Выраженность гладкого ЭПР не одинакова. Большая часть образует скопления или зоны. В клетках эпителия кишечника гладкий ЭПР находится в верхней части клетки вблизи всасывающей поверхности. Основной функцией является синтез, метаболизм липидов и углеводов. Кроме того, мембраны гладкого ЭПР участвуют в процессах детоксикации (обезвреживание ядов). Происходят процессы деградации различных токсичных органических веществ за счет локализации окислительных ферментов, из которых наиболее известен цитохром Р450. Он участвует в присоединении гидроксильной группы к различным опасным углеводам, которые попадают в мембранный бислой. За счет других окислительных ферментов к гидроксильным группам добавляются отрицательно заряженные молекулы (сульфаты, глюкуронавая кислота), что делает липофильные вещества растворимыми в воде. А это обеспечивает их обезвреживание и выведение из организма. 26) Комплекс Гольджи. Общая характеристика, локализация в клетке, ультраструктура. Открыт в 1898 году итальянским ученым Гольджи. Присутствует во всех эукариотических клетках, за исключением эритроцитов. Обычно элементы комплекса Гольджи располагаются около ядра рядом с центросомой в животных клетках, а в растительных – по периферии. Участки комплекса имеют вид сложных сетей. Ячейки этой сети могут быть связаны друг с другом или же располагаться отдельно в виде вогнутых вакуолярных образований. При этом морфология комплекса очень зависит от фазы клеточного цикла. Это динамически сложная организованная и поляризованная система вакуолей. Комплекс Гольджи в типичном случае – это собранные в небольшой зоне отдельные скопления, участки вакуолей, которые называются цистернами. Стопка уплощенных цистерн – диктиосома. В диктиосоме плотно друг к другу на расстоянии 20 – 25 нм располагаются плоские мембранные цистерны, между которыми находятся прослойки гиалоплазмы. Каждая цистерна имеет диаметр около одного мкм и переменную толщину. В центре цистерны мембраны более сближены (25 нм), а по краям цистерны имеются ампулярные расширения. Ширина их не постоянна. Количество таких цистерн в стопке варьирует от пяти до десяти штук. У одноклеточных встречается до двадцати штук. Кроме этих структурных единиц в состав комплекса относится много мелких вакуолей, располагающихся главным образом в периферических участках. Эти мелкие вакуоли отшнуровываются от ампулярных окончаний и обрамляют всю диктиосому. В диктиосоме принято различать два полюса: 1) Проксимальный или формирующийся. Цис-полюс. Располагается ближе к ядру клетки. 2) Дистальный или зрелый транс-полюс. 3) Медиальная часть – серединочка. На транс-полюсе к комплексу примыкает участок, состоящий из трубчатых элементов и массой мелких вакуолей. Это опушенные пузырьки с белком клатрином. Принимают активное участие в экзоцитозе. Ближе к плазмолемме располагается область более крупных вакуолей, которые являются продуктом слияния более мелких вакуолей с образованием секреторных вакуолей. В 1924 году Насоновым было выдвинуто предположение, что комплекс Г. является органоидом, обеспечивающим разделение (сепарацию) и накопление веществ в клетке. Одна и та же клетка может участвовать в синтезе многих белков. Эта клетка изолирует их друг от друга и направляет к клеточной поверхности. Кроме того, в комплексе Гольджи происходит не только перекачка этих продуктов, но также и их постепенное созревание, модификация, которая заканчивается сортировкой продуктов. В цис-зону белки попадают после первичного гликозилирования. Все гликопротеины состоят из N-ацетилглюкозамина и манозы. В цис-зоне происходит вторичная обработка. Гликопротеины для лизосом богаты маннозой. Происходит фосфорилирование. В каждой цистерне диктиосомы свои аппараты изменения гликозилирования. В средней части – вторичное гликозилирование секреторных белков. На транс-зоне присоединение других сахаров (ацетилирование). В АГ растительной клетки происходит синтез полисахаридов матрикса клеточной стенки (гемицеллюлозы, пектина). Диктиосома растительной клетки выделяет слизь. Целлюлоза синтезируется на поверхности плазмалеммы. Через КГ проходит 3 потока веществ. В цис- и средней зоне диктиосом все эти три потока идут без разделения, но они раздельно модифицируются. Сортировка белков происходит в транс-зоне, где имеет место механизм разделения. 1) Гидролитические ферменты (гидролазы), которые направляются в компартмент лизосом. Известно, что только белки предшественники гидролаз имеют особую маннозную группу в своем составе. В цис-цистернах эти группы фосфолирируются. И далее, вместе с другими белками, переносятся от цистерны к цистерне в транс-участок. Мембраны транс-полюса содержат особый рецептор манноза-6-фосфат, который специфически узнает фосфолиророванные маннозные группировки элементов и взаимодействует с ними. Это связывание осуществляется при нейтральных значениях рН внутри цистерн транс-полюса. На мембранах пузырьков манноза-6-фосфатные рецепторы образуют группы, которые концентрируются в окаймленных клатрином пузырьках. Оторвавшись от трансполюса, эти пузырьки теряют клатрин, сливаются с эндосомами, перенося свои лизосомные ферменты (гидролазы), связанные с мембранными рецепторами в эту вакуоль. Внутри эндосом, благодаря работе протонного переносчика, происходит закисление среды и начиная с рН = 6 лизосомные ферменты гидролазы отсоединяются от маноза-6-фосфата активируются и начинают работать. Участки же мембран, вместе с рецепторами, возвращаются путем рециклинга обратно в транссеть комплекса Гольджи. 2) Белки, которые накапливаются в секреторных вакуолях и выделяются из клетки только при получении специальных сигналов. Это путь стимулируемой секреции. Считают, что та часть белков, которая накапливается в секреторных вакуолях и выводится из клетки после поступления сигнала либо нервного, либо гормонального, проходят такую же процедуру отбора сортировки на рецепторах цистерн комплекса Гольджи. Эти секреторные белки попадают сначала в мелкие вакуоли, которые тоже одеты клатрином. В секреторных вакуолях происходит агрегация накопленных белков в виде плотных секреторных гранул. Концентрация белка при этом в вакуолях повышается в 2000 раз по сравнению с концентрацией белка в цистернах комплекса. Затем клатрин теряется, пузырьки объединяются. Секреторные вакуоли выбрасываются из клетки путем экзоцитоза после получения клеткой соответствующего стимула. 3) Путь конститутивной (постоянной) секреции. Клетки могут постоянно выделять белки, которые связывают их с субстратами. Кроме того, непрерывно идет поток мембранных пузырьков к плазмолемме, в которых находятся элементы гликокаликса и мембранных протеинов. Этот поток не подлежит сортировке в рецепторной транс-системе комплекса Гольджи. Внешне они не отличаются от других пузырьков. Также являются окаймленными клатрином секреторными пузырьками. Функции комплекса Гольджи: 1) Участие в сегрегации и накопление продуктов синтезированных в ЭПР; 2) Участие в химических перестройках и созревании органики. Главным образом, это перестройка олигосахаридных компонентов гликопротеинов в составе водорастворимых секретов или в составе мембран; 3) Это синтез полисахаридов, их взаимосвязь с белками, приводящая к образованию мукопротеинов, гликопротеинов; 4) Выведение готовых секретов за пределы клетки; 5) Источник клеточных лизосом. |