Медицинская биология
 Скачать 0.84 Mb.
|
|
Вопрос 16. Цитоплазма. Рибосомы и плазм иды 1. Состав цитоплазмы 2. Строение матрикса цитоплазмы 3. Характеристика рибосом 4. Плазмиды Цитоплазмой называется живое содержимое клетки без пластов или эквивалента ядра. Цитоплазма представляет собой вязко-упругий тиксотропный гель. Вязко-упругие свойства и тиксотропность возможны только тогда, когда молекулы образуют сплошную сеть, которая может разрушаться и возникать вновь. Разрушение молекулярной сети приводит к проявлению жидкостных свойств, а ее восстановление — свойств, характерных для твердых тел. Элементами, способными сплетаться в сеть, в цитоплазме служат длинные нитевидные микрофиламенты из белка актина. Вероятно, они удерживаются вместе с помощью какого-то другого белка. При отщеплении молекул этого белка сеть распадается (состояние золя). После этого микрофиламенты могут двигаться, и таким образом возникает течение протоплазмы, которое можно обнаружить в большинстве клеток. 2. Матрикс цитоплазмы представляет собой гомогенную (при исследовании в электронном микроскопе) субстанцию между микрофиламентами, которая состоит: • из воды; • множества растворенных неорганических и органических веществ, в частности ферментов и других белков. Функции матрикса цитоплазмы заключаются в следующем: • служит средой для диффузии многих промежуточных продуктов обмена; • в нем протекают важнейшие метаболические процессы, например гликолиз и пентозофосфатный цикл. Понятие "цитозоль" означает неосаждаемую при ультрацентрифугировании фракцию гомогената, которая содержит матрикс цитоплазмы и очень легкие структуры, такие, как микрофиламенты. Оно применимо также к соответствующей фракции интактных клеток, хотя в клетке матрикс — не золь, а как и остальная цитоплазма, вязко-эластичный тиксотропный гель. 3. Рибосомы осуществляют биосинтез белка, реализуя генетическую информацию. Каждая клетка обладает десятками тысяч или миллионами этих крошечных, размером 20—30 нм, округлых рибонуклепротеидных частиц. Рибосома состоит из двух неодинаковых субчастиц. Они образуются отдельно и объединяются на и-РНК, что происходит по эксцентрически расположенному каналу между субчастицами, доставляющему информацию для биосинтеза белка. При этом несколько рибосом могут быть связаны нитевидной молекулой и-РНК в полисому (полирибосому), наподобие нитки жемчуга. Более крупные рибосомы находятся в цитоплазме эукариотических клеток. Они могут быть вместе с и-РНК связаны с эн-доплазматическим ретикулом. Их субчастицы синтезируются в клеточном ядре. Прокариотические клетки обладают более мелкими рибосомами. Рибосомы чрезвычайно богаты магнием. 4. Плазмиды — это находящиеся вне генома очень короткие двойные спирали ДНК, замкнутые в кольцо (длиной от нескольких до 100 тыс. пар оснований), с одним или несколькими генами, а иногда и без них. Они реплицируются ч большинстве случаев независимо от остального генетического материала и часто переходят из одной клетки в другую. В настоящее время они обнаружены у бактерий и дрожжей, а также в митохондриях эукариотических клеток. Некоторые бактериальные плазмиды могут включаться в геном и снова отделяться от него. Вопрос 17. Мембраны, их молекулярная структура /. Виды и функции мембран 2. Состав и структура мембраны 3. Свойства мембран 1. Протоплазма ограничена наружной мембраной — плазмолеммой и содержит систему внутренних мембран (эндомембран). Клеточное ядро, митохондрии и пластиды тоже имеют внутренние двойные мембраны. Толщина мембраны чаще всего составляет 6—12 нм. Функции мембран состоят в следующем: • ограничивают замкнутые объемы различной величины и формы (пузырьки, уплощенные полости или целые клетки), создавая препятствие для диффузии. Образуются отдельные реакционные объемы (компартменты); • избирательно пропускают некоторые вещества и активно накачивают другие, что связано с затратой энергии. Каждая мембрана отделяет протоплазматическое пространство от неплазматического: • плазмолемма - от окружающей клетку среды; • мембраны пузырьков - от неплазматического содержимого этих пузырьков; • обе мембраны ядерной оболочки - от неплазматического пространства, находящегося между ними. Мембраны (за исключением мембран митохондрий и пластид) используются в процессах онтогенеза и могут превращаться друг в друга (течение мембран). Например, из эндоплазматиче-ского ретикулума образуются мембраны аппарата Гольджи, а последние служат материалом для регенерации плазмолеммы. 2. Мембраны представляют собой двумерные жидкокристаллические растворы глобулярных белков в липидах. Структурную основу мембран составляют: - липиды, среди которых преобладают фосфолипиды (например, лецитин), а в мембранах пластид — гликолипиды; • белки, которые в мембранах выполняют определенные функции. Они являются: • ферментами; • транспортными белками; • стерины (у животных в основном холестерин); • гликопротеиды; • некоторые неорганические соли. Основная структура всех мембран представляет собой два параллельных слоя липидов (бимолекулярный слой). Мембранные липиды — амфипатические молекулы, имеющие: • гидрофобную часть (углеводородные остатки жирных кислот и сфингозина); • гидрофильную часть (фосфат, холин, комамин, сахар и т. п.). Такие молекулы образуют на водной поверхности мономолекулярный слой. В водном окружении и в клетке образуются бимолекулярные слои: гидрофобные части различных молекул повернуты дальше от водного окружения, т. е. друг к другу, и удерживаются вместе сильными гидрофобными взаимодействиями и слабыми силами Ван-дер-Ваальса. Таким образом, мембраны на обеих наружных поверхностях гидрофильны, а внутри — гидрофобны. Поскольку гидрофильные части молекул поглощают электроны, они видны в электронном микроскопе как два темных слоя. 3. При низких температурах углеводородные остатки образуют подобие кристаллической решетки и мембраны переходят в состояние геля. При физиологических температурах мембраны находятся в жидкокристаллическом состоянии: углеводородные остатки вращаются вокруг своей продольной оси и диффундируют в плоскости слоя. Реже они перескакивают из одного слоя в другой, не нарушая прочных гидрофобных связей. Периферические белки мембран гидрофильны, так как на поверхности их глобулярной молекулы преобладают гидрофильные аминокислоты (с полярными группами). Они относительно непрочно связаны с гидрофильными поверхностями мембран, в основном электростатическими силами, т. е. ионными связями. Интегральные мембранные белки частично гидрофобны, так как на поверхности их молекул находятся главным образом гидрофобные аминокислотные остатки. Эти белки прочно укреплены в гидрофобной толще мембраны гидрофобными взаимодействиями, а гидрофильные части молекул выступают из мембраны наружу. Некоторые интегральные белки мембран способны, как и липидные молекулы, диффундировать в плоскости мембраны, другие встроены неподвижно. Описанная жидкостно-мозаичная модель структуры мембраны (модель Сингера) заменила принятую ранее модель Даниели {без интегральных белков). Благодаря гидрофобным взаимодействиям мембраны способны растягиваться (расти) при включении новых молекул, а в случае разрыва образовавшиеся края могут снова смыкаться. Мембраны полупроницаемы; они обладают мельчайшими порами, через которые диффундируют вода и другие небольшие гидрофильные молекулы. Для этого используются внутренние гидрофильные области интегральных мембранных белков или отверстия между соприкасающимися интегральными белками (туннельные белки). Вопрос 18. Плазматическая мембрана 1. Характеристика плазмолемм 2. Плазматическая мембрана прокариотических клеток 1. Плазмолемма, толщина которой около 8 нм, выполняет роль барьера для диффузии веществ из клетки, что существенно и для растительных клеток, так как клеточная стенка, как правило, проницаема. Встроенные в мембрану транспортные молекулы переносят определенные вещества. Мембранные ферменты принимают лишь ограниченное участие в метаболизме. У растений плазмолемма участвует в обмене компонентов клеточной стенки, в нервных клетках — в проведении импульсов. При клеточном делении дочерние клетки получают плазмолемму от материнской клетки. При росте плазмолеммы (связанном с делением и ростом клеток) и при ее регенерации она образуется из пузырьков Гольджи (течение мембран). Плазматическая мембрана животных клеток покрыта снаружи полисахаридным слоем толщиной от 10 до 20 нм — гликокалик-сом. разветвленные остатки полисахаридов ковалентно связаны с белками и сфингозинсодержащими липидами. Полисахариды состоят: • из галактозы; • маннозы; • фукозы; • N-ацетилгалактозамина; • N-ацетилглюкозамина; • остатков сиаловой кислоты (в концевых положениях). Сиало-выми кислотами называют N-гликозил- и N-ацетилнейра-миновые кислоты: нейраминовая кислота — это циклический конденсат маннозы и пирувата. Из компонентов гликокаликса хорошо изучен гликопротеид гликофорин в мембранах эритроцитов. Он состоит на 60% из углеводов и несет (подобно другим гликопротеидам и гликолипидам плазматических мембран животных клеток) специфические антигены групп крови, а также участки, связывающие различные вирусы и лектины. Карбоксильный конец полипептидной цепи выступает из мембраны с ее внутренней стороны, а с наружной стороны находится аминный конец с многочисленными сильно разветвленными боковыми цепями полисахаридов. 2. Отличительные особенности плазматической мембраны прокар-иотических клеток заключаются в следующем: • содержит в качестве интегральных белков переносчики электронов и ферменты дыхательной цепи; • образует разного рода выпячивания (одни осуществляют дыхание, другие — фотосинтез и дыхание). Мезосомы бактерий представляют собой пластинчатые, трубчатые или везикулярные тельца, лежащие в карманах мембраны. Внутреннее пространство мезосом частично сообщается с внеклеточной средой. Мезосомы образуются в результате сложного складывания и слияния впяченных участков мембраны. Их функция неизвестна. Сходные структуры описаны у сине-зеленых водорослей и в клетках грибов (хотя последние относятся к эукариотам). Вопрос 19. Система эндомембран. 1. Эндомембраны 2. Трубчатый ЭР 3. Гранулярный ЭР 4. Гладкий ЭР Эндоплазматический ретикулум (ЭР) 1. В цитоплазме сильно развита внутренняя система мембран, отграничивающая замкнутые реакционные пространства. Эти пространства могут быть: • узкими (у плоских листовидных или трубчатых цистерн); • пузыревидно расширенными (у мелких пузырьков или крупных вакуолей). Между различными компонентами существуют многообразные структурные и функциональные отношения. 2. Трубчатые или уплотненные цистерны ЭР пронизывают всю цитоплазму и окружают клеточное ядро, образуя ядерную оболочку. Пузыревидные расширения достигают 100 нм в диаметре. Многие или даже все цистерны связаны между собой и с ядерной оболочкой, а их внутреннее пространство сообщается с перинуклеарным пространством. У растений трубчатые цистерны проходят сквозь клеточную стенку в соседние клетки (десмотубулы в десмосомах). Цистерны нельзя выделить целиком, так как при гомогенизации они разрушаются до микросом — фрагментов величиной с рибосому. Биохимический анализ ЭР проводят чаще всего на препаратах микросом. Мембраны цистерн имеют толщину около 6 нм, составляющие их липиды — это в основном глицерофосфатиды (90-95%), в частности лецитин (55%). 3. Гранулярный (шероховатый) ЭР густо усеян полисомами, а гладкий (агранулярный) ЭР, состоящий в основном из трубчатых элементов, не связан с ними. Плотные слои цистерн гранулярного ЭР — так называемая эргастоплазма — окрашиваются основными красителями благодаря высокому содержанию нуклеиновых кислот, поэтому скопления этих цистерн видны в световой микроскоп, особенно в клетках, секретирующих белки (в слюнных железах и поджелудочной железе). В гранулярном ЭР происходит синтез определенных белков. Рибосомы, прикрепленные своими большими субчастицами к мембране, проталкивают вновь синтезируемые полипептидные цепи в цистерны, откуда белки выводятся из клетки, чаще всего с помощью трубчатых цистерн гладкого ЭР. 4. В гладком ЭР протекают различные этапы обмена: • углеводов; • жирных кислот; • жиров; • терпеноидов и других веществ. Функции ЭР — центр синтеза липидов и мембранных стероидов (холестерола), т. е. образования и регенерации всей системы эндомембран и плазматической мембраны. Синтезируя собственные структурные компоненты, цистерны ЭР могут "размножаться". Кроме того, они образуются, по-видимому, и из других мембран (например, цистерн Гольджи) или в результате слияния пузырьков, отшнуровывающихся от других частей ЭР. В быстрорастущих животных клетках (эмбриональных, раковых) в цитоплазме и в клеточном ядре встречаются кольчатые мембраны, сходные по структуре с ядерной оболочкой, — короткие и плоские изолированные фрагменты двойной мембраны с порами. В мышечных клетках ЭР, называемый здесь саркоплазматиче-ским ретикулумом, обеспечивает двигательную функцию. Вопрос 20. Система Гольджи 1. Диктиосомы 2. Характеристика системы Гольджи 3. Синтез системы Гольджи 4. Синтез пищеварительных ферментов Система Гольджи используется в клетке для обеспечения роста и регенерации плазматической мембраны и для образования экскретов (прежде всего углеводов и белков). Диктиосомы — это стопки из 3—12 дискообразных замкнутых цистерн Гольджи (диаметром в большинстве случаев до 0,2— 0,5 мкм), от краев которых отшнуровываются пузырьки Гольджи диаметром около 20 нм. Как правило, их бывает от нескольких сотен до нескольких тысяч на клетку. Более старые цистерны продырявлены; между ними могут появляться тонкие параллельные трубчатые или фибриллярные элементы. Аппарат Гольджи в зрелых клетках позвоночных часто лежит вблизи ядра, окрашивается и становится видим в световой микроскоп. Он представляет собой результат слияния всех диктиосом. В яйцеклетках, некоторых эмбриональных клетках и во время клеточного деления еще встречаются диктиосомы, но при дифференцировке клеток они сливаются благодаря росту цистерн и их агрегации. Кроме пузырьков в результате расширения цистерн образуются крупные вакуоли Гольджи. 2. Система Гольджи — производное эндоплазматического ретику-лума. На одной стороне стопки цистерн слияние отдельных частей ЭР (пузырьков или фрагментов) ведет к формированию новых цистерн Гольджи. По мере дальнейшего поступления веществ из ЭР с пузырьками (везикулярный поток) или через трубчатые соединения в цистернах образуется секрет и одновременно происходит перестройка мембран: тонкая (до 6 нм) мембрана ЭР превращается в более толстую (8 нм) и более плотную мембрану с иным составом липидов и белков, сходную с плазматической. Липиды поступают из гладкого ЭР, а белки — частью из гранулярного ЭР, а частью — от свободных полисом. Зрелые цистерны на секреторной стороне стопки используются для формирования пузырьков, или вакуолей, Гольджи, заполненных секретом (у быстро работающих диктиосом весь процесс длится от 20 с до 2 мин). Пузырьки Гольджи подходят к плазматической мембране, сливаются с ней, изливают свое содержимое наружу (экзоцитоз), а их мембрана включается в плазматическую мембрану. Аналогичным образом они могут опорожняться и во внутренние компартменты, например в секреторные вакуоли у растений. Диктиосомы образуются заново из частей ЭР. Цистерны Гольджи активно извлекают моносахариды из основного вещества протоплазмы и синтезируют из них олиго- и полисахариды. У растений таким способом образуются протопектин и гемицеллюлоза для формирования клеточной стенки, реже — целлюлоза, а также полисахаридная слизь. При клеточном делении пузырьки Гольджи скапливаются на новой границе между клетками и сливаются, их содержимое образует первичную клеточную стенку, а мембраны — плазмо-лемму. Для последующего роста клеточной стенки новые пузырьки Гольджи путем эндоцитоза добавляют к ней свое содержимое. 3. У животных система Гольджи синтезирует: • гликопротеиды; • гликолипиды гликокаликса. Гликозилирование начинается в эндоплазматическом ретику-луме. Полисахаридные остатки, синтезируемые далее в цистернах Гольджи, выступают во внутреннее пространство этих цистерн, а после экзоцитоза попадают на наружную поверхность плазматической мембраны. "Экспортируемые" белки химически изменяются во внутреннем пространстве цистерн (и пузырьков) Гольджи. Они могут связываться с сахаром или сульфатом, как это происходит в слизистых клетках кишечного эпителия, или активируются в результате отщепления аминокислотных остатков (процессинг), как, например, в случае превращения проинсулина в инсулин в лангергансовых островках поджелудочной железы. Аппарат Гольджи участвует также в образовании белков молока в молочных железах, желчи в печени, веществ хрусталика, зубной эмали и т. п. 4. В секреторных клетках поджелудочной железы пищеварительные ферменты (в частности, трипсиноген) синтезируются в эр-гастоплазме. Они появляются там между цистернами как мелкие просекреторные гранулы, не одетые мембраной. Затем они (возможно, в вакуолях Гольджи) попадают в аппарат Гольджи и сливаются там в очень крупные (0,5—1,5 мкм) секреторные пузырьки (зимогеновые гранулы). Последние при определенной стимуляции выбрасывают свое содержимое из клетки, а их мембраны сливаются друг с другом и с плазматической мембраной. Сходным образом вырабатываются и выделяются амилаза в слюнных железах, пептидные гормоны в гипофизе, коллаген в ряде тканей млекопитающих. |