методичка биология. Методические указания для студентов составлены зав кафедры биологии, профессором д м. н. Викторовой Т. В. и ассистентом, к б. н. Измайловой С. М
 Скачать 6.06 Mb.
|
|
Тема: Структура и функции цитоплазматических мембран. Транспорт веществ через мембрану. 2. Учебные цели: - знать строение универсальной биологической мембраны; закономерности пассивного и активного транспорта веществ через мембраны; - уметь отличить виды транспорта; - владеть техникой приготовления временных микропрепаратов. 3. Вопросы для самоподготовки к освоению данной темы:
4. Вид занятия: лабораторно – практическое. 5. Продолжительность занятия – 3 часа (135 минут). 6.Оснащение. Таблицы: №11 «Модели цитоплазматической мембраны»; №12 «Жидкостно-мозаичная модель мембраны», микроскопы, предметные и покровные стекла, колбочки с 0,9% и 20% растворами NaCl, пипетки, полоски фильтровальной бумаги, дистиллированная вода, веточки элодеи. 7. Содержания занятия: 7.1. Контроль исходного уровня знаний и умений. Выполнение тестовых заданий. 7.2. Разбор с преподавателем узловых вопросов, необходимых для освоения темы занятия. 7.3. Демонстрация преподавателем методики практических приемов по данной теме. Преподаватель знакомит студентов с планом и методикой проведения практической работы. 7.4. Самостоятельная работа студентов под контролем преподавателя Практическая работа 1. Строение клетки листа элодеи Материал и оборудование: микроскопы, предметные и покровные стекла, дистиллированная вода, пипетки, полоски фильтровальной бумаги, веточки элодеи, таблицы. Изучаемые объекты: элодея. Цель практической работы: Изучить строение растительной клетки и найти отличия от животной клетки Содержание практической работы. Пользуясь пинцетом и ножницами, отрезать от веточки элодеи кусочек листа размером 4-5 мм, положить его на предметное стекло в каплю воды, покрыть покровным стеклом и рассмотреть препарат при малом и большом увеличении микроскопа. Лист элодеи состоит из 2-х слоев клеток, поэтому, изучая его, нужно вращать микрометрический винт, чтобы четко увидеть верхний или нижний слой. Клетки элодеи почти прямоугольной формы, имеют плотные оболочки. Между оболочками отдельных клеток заметны узкие межклеточные ходы. Ядра в клетках не видны, поскольку в неокрашенной клетке показатели преломления ядра и цитоплазмы почти одинаковы. В цитоплазме клеток находятся зеленые округлые пластиды - хлоропласты. Хлоропласты маскируют ядро, и его трудно обнаружить в клетке. Более светлое пространство в цитоплазме – вакуоли, заполненные клеточным соком. При температуре выше 10°C в клетках элодеи можно заметить движение цитоплазмы, прилегающей к оболочке клеток, по движению зеленых пластид вдоль стенок клеток. В случае отсутствия движения пластид, его можно вызвать, разрезая листочек, на мелкие части или прибавляя к воде несколько капель спирта. Зарисуйте при большом увеличении микроскопа 3-4 клетки листа элодеи. Сделайте обозначения:
3. Хлоропласты, 4. Вакуоли с клеточным соком. 2. Плазмолиз и деплазмолиз в клетках листах элодеи Материал и оборудование: микроскопы, предметные и покровные стекла, колбочки с 0.9% и 20% растворами, дистиллированная вода, пипетки, полоски фильтровальной бумаги, веточки элодеи, таблицы. Изучаемые объекты: элодея. Цель практической работы: Изучить явление плазмолиза и деплазмолиза в клетках листа элодеи. Содержание практической работы. Отрезать ножницами один листок с веточки элодеи. Поместить на предметное стекло в каплю воды. Покрыть покровным стеклом. Рассмотреть при большом увеличении микроскопа. Зарисовать клетки, отметить оболочку, цитоплазму, хлоропласты и вакуоли. К одному краю покровного стекла приложить полоску фильтровальной бумаги, а с противоположного края осторожно ввести пипеткой под покровное стекло каплю 20% раствора поваренной соли. Фильтровальная бумага отсосет часть воды из под покровного стекла, и лист элодеи окажется в гипертонической среде. При большом увеличении микроскопа наблюдать за изменениями в клетке в течение 10-15 мин. Вскоре станет заметно, что цитоплазма начнет отставать от клеточных оболочек, объем вакуолей уменьшается, вода уходит из клетки в среду. Это явление плазмолиза. К концу плазмолиза цитоплазма принимает форму шара или эллипсоида и занимает центральное положение в клетке. Зарисуйте начало и конец плазмолиза в 2-3 клетках. Если после этого заменить гипертонический раствор обычной водой, то через некоторое время клетки окажутся в гипотонической среде; цитоплазма займет прежний объем, т. е. произойдет деплазмолиз и клетка вернется в состояние нормального тургора. 3. Эритроциты человека в изо-, гипо- и гипертонических растворах Материал и оборудование: микроскопы, предметные и покровные стекла, колбочки с 0.9% и 20% растворами, дистиллированная вода, пипетки, полоски фильтровальной бумаги, таблицы. Изучаемые объекты: кровь человека Цель практической работы: Изучить эритроциты человека в изо-, гипо- и гипертонических растворах. Содержание практической работы. Взять три пронумерованных предметных стекла. На каждое стекло нанести каплю крови, затем к капле на первом стекле добавить каплю физиологического раствора, на втором дистиллированной воды на третьем – 20% раствора. Все капли покрыть покровными стеклами. Дать постоять препаратам 10-15 минут, затем рассмотреть при большом увеличении микроскопа. В физиологическом растворе эритроциты имеют обычную овальную форму. В гипотонической среде эритроциты набухают, а затем лопаются. Это явление носит название гемолиза. В гипертонической, среде эритроциты начинают сжиматься, сморщиваться, теряя воду. Зарисуйте эритроциты в гипо-, гипер- , изотонических растворах.
Практическое занятие №3
Строение эукариотической клетки. Цитоплазма и ее компоненты
- знать особенности организации эукариотических клеток; - уметь отличать строение органоидов эукариотической клетки; - владеть терминологией. . 3. Вопросы для самоподготовки по данной теме:
4. Вид занятия: лабораторно – практическое. 5. Продолжительность занятия – 3 часа (135 мин.). 6. Оснащение. Микроскопы, иммерсионные объективы, постоянные микропрепараты, электроннофотограммы. слайды, таблицы - № 5 «Строение клетки», № 6 «Строение животной клетки», № 7 «Лизосомы», № 8 «Митохондрии», № 9 «Пластинчатый комплекс Гольджи», № 10 «Клеточный центр». 7. Содержание занятия: 7.1. Контроль исходного уровня знаний и умений. 7.2. Разбор с преподавателем узловых вопросов, необходимых для освоения темы занятия. Органоиды общего назначения Среди них можно выделить три группы: 1 - органоиды, участвующие в синтезе веществ; 2 - органоиды с защитной пищеварительной функцией; 3 - органоиды, обеспечивающие клетку энергией. 4 – органоиды, участвующие в делении и движении клеток. 1. Органоиды, участвующие в синтезе веществ В любой клетке совершается синтез свойственных ей веществ, являющихся либо строительным материалом для новообразующихся структур взамен изношенных, либо ферментами, участвующими в биохимических реакциях, либо секретами, выделяемыми из клеток желез. Исходными продуктами для синтеза служат вещества, образующиеся при распаде клеточных структур, но, главным образом, поглощаемые клеткой извне. При этом те из них, которые представляют собой цельные молекулы белков, жиров и углеводов, предварительно адсорбированные на поверхности клетки и поступившие в цитоплазму, расщепляются с помощью ферментов на составные части. Активная роль в синтезе клеточных веществ принадлежит эндоплазматической сети и рибосомам. Эндоплазматическая сеть Эндоплазматическая сеть впервые была обнаружена американским ученым Портером в 1945 г. при электронной микроскопии культур клеток соединительной ткани - фибробластов - и названа эндоплазматической сетью, или ретикулумом. Различают две разновидности эндоплазматической сети: гладкую (агранулярную) и шероховатую (гранулярную). Обе они образованы цистернами или каналами, которые ограничены мембраной, толщиной 6-7 нм. На наружной поверхности мембраны шероховатой эндоплазматической сети имеются рибонуклеопротеидные гранулы - рибосомы, отсутствующие на поверхности мембран гладкой сети. Оба типа эндоплазматической сети обычно находятся в непосредственной структурной взаимосвязи вследствие прямого перехода мембран эндоплазматической сети одного типа в мембраны эндоплазматической сети другого типа, а содержимое каналов и цистерн этих разновидностей ЭПС не разграничено специальными структурами. Тем не менее, обе разновидности ЭПС представляют собой дифференцированные специфические внутриклеточные органоиды метаболического аппарата, органоиды, специализированные на реализацию разных функций. Каждому типу клеток свойственны определенная архитектоника и разновидность эндоплазматической сети. Строение гладкой эндоплазматической сети. Она представлена канальцами диаметром 50-100 нм, которые на ультратонких срезах выглядят в виде парных мембран (трубочек) или мешочков. Мембраны гладкой цитоплазматической сети имеют много общего с остальными клеточными мембранами. В основе их строения лежит липопротеидный комп  лекс со значительным содержанием липидов (до 50%), Толщина каждой мембраны около 6-7 нм. Агранулярная зндоплазматическая сеть постоянно присутствует в клетках печени, клубочковой и пучковой зонах надпочечников, а также в сердечных миоцитах и мышечных волокнах скелетной мускулатуры. Агранулярная сеть, как правило, определяется в местах скопления гликогена или липидных включений.Функцию эндоплазматической сети гладкого типа связывают, главным образом, с углеводным и жировым обменом. Считают, что она участвует в синтезе липидов и расщеплении гликогена, предохраняя при этом образующуюся глюкозу от действия гликолитических ферментов. Наконец, все более очевидной становится значение гладкой эндоплазматической сети, как системы внутриклеточного проведения импульсов, в частности, в мышечных волокнах, где она лежит вдоль сократимых нитей - миофибрилл. Гладкая эндоплазматическая сеть может транспортировать и накапливать ионы, осуществлять функцию детоксикации вредных продуктов обмена. В поперечно-полосатой мышечной ткани гладкая ЭПС играет роль резервуара ионов кальция, а ее мембраны содержат мощные кальциевые насосы, которые в сотые доли секунды могут выбрасывать большие количества ионов в цитоплазму или, наоборот, транспортировать их в полость этих каналов. ЭПС в клетках надпочечников специализирована на синтезе предшественников стероидных гормонов. Строение эндоплазматической сети гранулярного типа. Состоит из разветвленной системы канальцев или плоских мешочков, ограниченных липопротеидными мембранами, на поверхности которых расположены рибосомы. Она обнаружена почти во всех клетках, но наиболее сильно развита в клетках с высоким уровнем белкового обмена, например, в клетках эндокринной части, поджелудочной железы, печени, слюнных желез, нейронах центральной нервной системы, цитоплазматических клетках и т. д. Так, в секреторных клетках, синтезирующих белки на экспорт, гранулярная ЭПС занимает основную часть цитоплазмы. Во всех перечисленных клетках цитоплазма интенсивно окрашивается основными красителями, т. е. является резко базофильной. Это объясняется наличием в цитоплазме большого количества рибосом. Функцию эндоплазматической сети гранулярного типа, прежде всего, связываютют с обеспечением синтеза белка, трансмембранного транспорта и начальной пострансляционной обработкой белков, синтезируемых на прикрепленных рибосомах. Доказано, что на поверхности гранулярноой ЭПС, под влиянием входящих в нее ферментов, осуществляется синтез ряда веществ белковой природы, экспортируемых (т. е. выделяемых) клетками в виде секретов, гормонов, ферментов, иммунных тел и др. Синтезируемые вещества способны поступать в пространство эндоплазматической сети и передвигаться внутри клетки. Установлено, что мембраны эндоплазматической сети могут переходить в наружную мембрану ядерной оболочки. Вследствие этого пространство эндоплазматической сети может сообщаться с перинуклеарным пространством, расположенным между наружной и внутренней мембранами оболочки ядра. Что касается связи эндоплазматической сети с клеточной оболочкой, то сейчас по этому вопросу нет единого мнения. Если такая связь и образуется, то, вероятно, она носит временный характер. Следовательно, эндоплазматическая сеть не только участвует в метаболизме веществ, но и выполняет роль внутриклеточной транспортной системы. Иногда гранулярная ЭПС может играть роль резервуара для хранения запасных питательных веществ. Кроме того, мембраны, обладая избирательной проницаемостью, способны ограничивать однородные участки цитоплазмы и вещества, в них содержащиеся, например, содержимое полостей сети от остальной цитоплазмы. Такое явление называется компартменализацией цитоплазмы. После смерти клеток гранулярная эндоплазматическая сеть разрушается значительно позже, чем агранулярная. Биогенез мембран эндоплазматической сети. Этот вопрос представляет большой интерес, поскольку зндоплазматическая сеть является динамической структурой, претерпевающей значительные изменения в связи с функциональными колебаниями, свойственными клеткам. Так, например, при голодании организма, когда снижается синтез белков и интенсивно расходуется гликоген печени, в ее клетках уменьшается масса гранулярной сети и резко возрастает объем агранулярной сети. В настоящее время существует несколько точек зрения об источниках образования мембран эндоплазматической сети: 1 - образование мембран при участии ядерной оболочки, 2 - образование новых мембран в существующей гранулярной эндоплазматической сети, которые лишь вторично превращаются в систему гладкой эндоплазматической сети, 3 - образование мембран заново из имеющихся в цитоплазме белков и липидов. Рибосомы Рибосомы представляют собой рибонуклеопротеидные гранулы, в которых осуществляется синтез белков, свойственных данному организму. В цитоплазме клеток они лежат либо на поверхности мембраны гранулярной цитоплазматической сети - связанные рибосомы, либо располагаются свободно без отношения к мембранам - свободные рибосомы, либо входят в состав митохондрий - миторибосомы. Во время активного синтеза белков отдельные рибосомы объединяются с помощью информационной РНК, как бы на нанизываясь на ее длинную молекулу, в небольшие группы - полисомы, или полирибосомы. Одиночные рибосомы имеют размеры около 10-25 нм. Они состоят из рибосомальной РНК (р-РНК) и структурного белка, находящихся в соотношении 1:1. Имеются также данные о наличии в рибосомах липидов, ионов и ферментов. Строение рибосом. Электронно-микроскопические исследования показали, что рибосомы состоят из двух субчастиц (субъединиц) - большой и малой. Субъединицы плотно прилегают друг к другу. При снижении в окружающей их среде концентрации Mg ниже 0,001 М они разъединяются. Каждая субъединица построена из свернутого тяжа рРНК и белка, а на контактирующих поверхностях субъединиц находится и-РНК и т-РНК. Конфигурация рибосом весьма сложная. Показано, что малая субъединица изогнута в виде телефонной трубки, а большая напоминает ковш. Возможно, что в ходе рабочего цикла рибосома меняет свою конформацию. Соединение отдельных рибосом и полисом с мембранами зндоплазматической сети осуществляется через крупные субъединицы, причем, в полисомах - за счет субъединицы крайней рибосомы. Цитоплазматические и митохондриальные рибосомы отличаются друг от друга химической структурой РНК и размерами. Митохондриальные рибосомы более мелкие. В рибосомах осуществляется синтез различных белков: в свободных рибосомах - белков, необходимых самой клетке, в связанных с мембранами рибосомах - белков, идущих на «экспорт», т. е. выделяемых клеткой. Используя метод электронной микроскопии и введения меченых аминокислот удалось установить, что в рибосомах, связанных с мембранами, синтез белков происходит примерно в 20 раз быстрее, чем в свободных рибосомах. Полагают, что на рибосомах гранулярной эндоплазматической сети белки синтезируются за 2-3 минуты, а через 10 минут они перемещаются в просвет канальцев эндоплазматической сети. Биогенез рибосом. Количество рибосом в цитоплазме подвержено значительным колебаниям, отражающим различные функциональные состояния клеток. Ключевая роль в образовании рибосом принадлежит ядрышку. Прямое доказательство того, что ядрышко ответственно за синтез рРНК, было получено в 1964 году, когда открыли, что в мутантных клетках, лишенных ядрышек, синтез рРНК не происходит. Синтез рРНК кодируется ДНК хромосом, локализованных в ЯОР., Что касается рибосомальных белков, которых насчитывается свыше 50 видов, то полагают, что они также возникают в ядрышке. Здесь же они объединяются с рРНК и образуют малые и крупные субъединицы, которые и дают начало рибосомам. Пластинчатый комплекс Гольджи В 1898 году итальянский ученый Гольджи, применив метод импрегнации азотнокислым серебром, обнаружил в нервных клетках спинномозгового узла структуры, состоящие из пластинок и пузырьков. Этo и есть пластинчатый комплекс, носивший долгое время имя Гольджи. Серьезный вклад в понимание значения пластинчатого комплекса внес советский ученый цитолог Д.Н. Насонов (1930), установивший существенную роль этой органеллы в процессах секреции. Строение пластинчатого комплекса. По данным световой микроскопии пластинчатый комплекс представлен сетчатыми, зернистыми или неправильной формы структурами, импрегнирующимися солями серебра и осмия. В живой клетке пластинчатый комплекс располагается около ядра. Форма пластинчатого комплекса варьирует в зависимости от функционального состояния клетки. В основе строения пластинчатого комплекса, как и в основе строения большинства клеточных органелл, лежат липопротеидные мембраны, толщиной 60-70А. Данные электронной микроскопии показали, что пластинчатый комплекс является неоднородным образованием. Центральной, наиболее типичной и постоянной структурой аппарата Гольджи является система уплощенных цистерн, составляющих стопку или колонку прилегающих друг к другу овальных или округлых образований (диктиосома). В периферической части цистерн (в типичных случаях) формируется вакуолярная часть комплекса Гольджи, состоящая из ограниченных мембраной пузырьков разных размеров. В более сложных вариантах организации комплекса Гольджи на периферии цистерн развивается сложная система ограниченных мембранами трубчатых переплетающихся структур, от которых отшнуровываются периферические пузырьки и вакуоли. В периферическом цитозоле аппарата Гольджи имеются скопления полирибосом. Показано, что они синтезируют ряд ферментов, специфических для мембран аппарата Гольджи. Характерна тесная пространственная связь с мембранами эндоплазматической сети и ядерной оболочкой. Некоторые авторы обнаружили непосредственный переход канальцев гранулярной ЭПС в пластинчатый комплекс. Функции пластинчатого комплекса длительное время сводили к участию в оформлении секреторных гранул, в секреции и транспорте. Комплекс Гольджи является упаковочным «цехом» в клетке, конденсационной мембраной, концентрируя в виде капель или гранул вещества, вырабатываемые на других органоидах клетки. Однако в последнее время установлено, что он выполняет и ряд других функций; в нем происходит дегидратация белковых продуктов секреторных гранул, сегрегация (укрупнение) белковых молекул, синтез сложных углеводов-гликопротеи-дов, комплексы соединений с жирами - гликолипидов, мукополисахаридов, присоединение остатков серной кислоты к углеводным полимерам, образование комплексных соединений типа зрелых молекул иммуноглобулинов. Полагают, что пластинчатый комплекс дает начало мелким пузырькам, которые играют роль транспортных структур, связывающих пластинчатый комплекс с цитоплазматическим ретикулумом и клеточной оболочкой. Считают также, что он принимает участие в образовании первичных лизосом с их своеобразными мембранами и сложной структурной организацией гидролаз. Комплекс Гольджи участвует в формировании акросомы сперматозоида. Из цистерн аппарата Гольджи, так же как из ЭПС, могут возникать и пероксисомы. Биогенез пластинчатого комплекса. Согласно существующим предположениям пластинчатый комплекс может возникать различными путями: 1 - вследствие фрагментации (деления) его элементов, 2 - из мембран гранулярной эндоплазматической сети, 3 - из микропузырьков, образующихся на внешней поверхности ядерной оболочки, 4 - может образоваться de novo. Микротрубочки Впервые их наблюдали в аксоплазме, выдавленной из миелинизированных нервных волокон. Для цитоплазматических микротрубочек характерны постоянные размеры и удивительная прямолинейность. Их диаметр около 24 нм, длина несколько микрон. На поперечном срезе они имеют вид кольца. Эта конфигурация образуется плотной стенкой и светлым центральным участком. Стенка микротрубочки состоит из отдельных линейных или спиральных нитчатых структур диаметром около 5 нм, которые, в свою очередь состоят из субъединиц. На поперечном срезе микротрубочки насчитывается около 13 субъединиц. Обычно внутри микротрубочек нет электронно-плотных масс, поэтому они выглядят «пустыми». Однако иногда в центральной части некоторых микротрубочек обнаруживаются плотные точки или палочки. Функции микротрубочек. В ресничках, жгутиках, митотическом веретене и в цитоплазме простейших, способных к сокращению клеточного тела, функции микротрубочек связаны с сокращением. Микротрубочки содержат около 10% белка веретена: именно они обуславливают двойное лучепреломление веретена и лучей звезды. Во время цитокенеза в перемычке, соединяющей две дочерние клетки (и содержащей, многочисленные микротрубочки), наблюдаются перистальтические волны. Микротрубочкам приписывают роль каркаса (цитоскелета), функция которого состоит в создании и поддержании формы клетки, а также в перераспределении ее содержимого. Внутриклеточная циркуляция и транспорт.Микротрубочки, по-видимому, выполняют также функции микроциркулярной системы, обеспечивающей транспорт небольших молекул внутри клетки. Для этого они образуют и отграничивают в цитоплазме своего рода каналы. Микротрубочки могут играть определенную роль в локальных изменениях формы клетки, которые происходят при клеточной дифференцировке в ходе эмбрионального развития. Резко выраженное удлинение ядра сперматиды сопровождается возникновением строго упорядоченных по их расположению микротрубочек, которые охватывают ядро в направлении, перпендикулярном его оси; эти микротрубочки образуют вокруг ядра двойную спираль. 2. Органоиды с защитной и пищеварительной функцией Лизосомы Эти органоиды известны с 50-х годов XX столетия, когда бельгийский биохимик де Дюв обнаружил в клетках печени мелкие гранулы, содержащие гидролитические ферменты. Отсюда и их название (греч/ . lisio- растворяю,soma - тело). Лизосомная концентрация де Дюва является прямым продолжением учения о фагоцитозе русского ученого И. И. Мечникова. Строение лизосом. Лизосомы имеют вид телец округлой или овальной формы, диаметром около 0,2-0,8 мкм. Мембрана лизосом одинарная. Функциональная активность лизосом определяется состоянием их мембран. Проницаемость мембраны лизосом может изменяться в различных функциональных, патологических и экспериментальных условиях. Например, тироксин, прогестерон, витамин А, а также ультрафиолетовые излучения и рентгеновские лучи, кислород и другие, являются так называемыми лабилизаторами лизосомной мембраны. Они повышают ее проницаемость, а преднизолон, кортизон и другие являются стабилизаторами мембраны лизосом- уменьшают ее проницаемость. Матрикс лизосом содержит свыше 80 гидролитических ферментов (гидролаз), аминокислоты, фосфопротеиды, гликопротеиды. Количество лизосом в различных клетках не одинаково и не постоянно. Оно определяется, прежде всего, функциональным состоянием клетки. Наибольшее количество лизосом наблюдается в клетках, способных к фагоцитозу (макрофагах и лейкоцитах). Много лизосом наблюдается в эпителиальных клетках органов, осуществляющих всасывание, секрецию или экскрецию, например, в эпителии кишечника, почек, предстательной железы и др. Относительно механизмов перемещения лизосом в клетке известно лишь то, что в данных процессах принимают участие микротрубочки, поскольку при их разрушении специфическими ингибиторами движение лизосом прекращается. Различают следующие разновидности лизосом: первичные лизосомы или накопительные (запасающие) гранулы и вторичные лизосомы. Первичные лизосомы характеризуются небольшими размерами и большей электронной плотностью матрикса, т. е. содержимого, по сравнению с вторичными лизосомами. Первичные лизосомы содержат гидролитические ферменты, которые находятся в неактивном состоянии. Полагают, что гидролитические лизосомные ферменты синтезируются в рибосомах, затем поступают в канальцы эндооплазматической сети, далее переходят в пластинчатый комплекс, в котором формируется мембрана первичных лизосом. Вторичные лизосомы. К ним относятся: 1 - пищеварительная вакуоль или фаголизосома, 2 - аутофагирующая вакуоль (синоним цитолизосома), 3 - остаточное тельце. Пищеварительная вакуоль образуется в результате слияния фагосомы с первичной лизосомой. Она характеризуется большими размерами, чем первичная лизосома (около 0,8-1,2 мкм). В ее матриксе содержатся включения в виде гранул различной величины. В пищеварительной вакуоли поглощенные вещества постепенно перевариваются под влиянием гидролаз. Переваривание может идти до образования низкомолекулярных веществ, которые проходят через мембрану лизосом и используются для синтеза внутриклеточных структур, например, других органелл. Аутофагирующая вакуоль представляет крупное тельце овальной формы, содержащее в своем матриксе остатки фрагментов самой клетки: митохондрий, цитоплазматической сети, рибосом или других органелл, которые также подвергаются разрушению под действием лизосомных ферментов. В дальнейшем продукты их расщепления вновь вовлекаются в процессы ресинтеза белков, жиров и углеводов. Аутофагирующие вакуоли в больших количествах выявляются при голодании, различных интоксикациях, гипоксии, старении и т. д. Остаточные тельца образуются в клетке при неполном переваривании в фаголизозомах и аутофагирующих лизосомах остаточное тельце оказывается неполным, образуется остаточное тельце, продукты которых подлежат выведению из клетки. Остаточные тельца имеют неправильную форму, их матрикс наполнен гранулами высокой электронной плотности. Функции лизосом. Лизосомы способны расщеплять практически все органические вещества. Благодаря этой функциональной особенности, лизосомы играют важную роль во внутриклеточном пищеварении, переваривая вещества, поглощенные клеткой (белки, липиды, полисахариды). Кроме того, значение лизосом заключается в процессах аутолиза продуктов внутриклеточного обмена и остатков разрушенных органелл. Лизосомы освобождают клетку от продуктов распада и поставляют низкомолекулярные вещества для ресинтеза органелл клетки, т. е. принимают участие в физиологической и репаративной регенерации. Особенно большое значение имеют лизосомы в клетках центральной нервной системы, в которых представлена в основном внутриклеточная регенерация. Лизосомы принимают участие в процессе инволюции, т. е. обратном развитии тканей, например, тканей матки в послеродовом периоде, фолликулов яичника при атрезии (запустевании) и др. Особенно велика роль лизосом в защитных реакциях клетки. В лизосомах происходит переваривание и обезвреживание чужеродных веществ, например, микробов, поглощенных клеткой путем фагоцитоза и пиноцитоза. Увеличение проницаемости лизосомных мембран в патологии дало повод для рассмотрения лизосом как орудий «самоубийства клеток». Однако сейчас эта гипотеза уступила место более обоснованной концепции о лизосомах, как о мощных защитных структурах клетки, обеспечивающих условия, оптимальные для ее жизнедеятельности. Пероксисомы Пероксисомы (синоним - микротельца) - это органоиды, принимающие участие в защитных реакциях, освобождая клетки от перекисей, которые могут накапливаться в них вследствие неферментативного окисления жирных кислот, входящих в состав липидов биомембран. Как известно, перекиси вызывают денатурацию белков и деструкцию витаминов А, Д, К, тормозят деятельность ряда ферментов. Строение пероксисом. Форма микротелец чаще округлая или овальная. Размеры колеблются в пределах 0,3-0,9 мкм. Они окружены мембраной, толщина которой меньше, чем у лизосом, и колеблется в пределах 6,5 нм. Мембрана микротелец относительно проницаема для молекул с небольшим молекулярным весом. Матрикс пероксисом мелкозернист, средней электронной плотности. Количество пероксисом в клетках может достигать 1-2% общего объема. Так, в гепатоците среднее число пероксисом составляет около 600. Характерной особенностью микротелец является пространственная связь с гладкой эндоплазматической сетью или с гладкими участками гранулярной цитоплазматичеекой сети, которые, по-видимому, принимают участие в генезе пероксисом. Функции микротелец. Микротельце - органоид, в котором осуществляется метаболизм перекиси водорода. Каталаза пероксисом защищает компоненты клетки от разрушительного действия перекисей. Каталаза может взаимодействовать с перекисью водорода по двум основным направлениям. Она может участвовать в разложении перекиси на водород и воду: 2Н2О2→2Н2О+О2 (каталазная реакция), а также в окислении перекисью водорода какого-либо донора водорода: Н2О2+RН2→2H2O+R (пероксидазная реакция). Пероксисомы служат вспомогательным местом окисления углеводов. Кроме этих функций, пероксисомы участвуют в расщеплении холестерина в печени. По-видимому, следствием последней функции является устойчивость к атеросклерозу некоторых животных, например, морских свинок, у которых в печени обнаружено высокое содержание каталазы. Биогенез лизосом и пероксисом. Источником образования лизосом и пероксисом могут быть: 1 - гранулярная и агранулярная цитоплазматическая сеть, 2 - элементы пластинчатого комплекса, 3 - они могут образовываться путем саморепродукции и 4 – синтез de novo. 3. Органоиды, участвующие в энергообеспечении клетки Подавляющее большинство функций клетки сопряжено с затратой энергии. Живая клетка образует ее в результате постоянно протекающих окислительно-восстановительных процессов, составляющих так называемое дыхание. Имеется два способа получения энергии: аэробное окисление и анаэробное окисление (или гликолиз). В различных клетках, а также при различных их функциональных состояниях преобладает тот или иной тип дыхания, например, в мышцах в период сокращения - анаэробный, а во время расслабления - аэробный. Аэробный тип дыхания совершается при участии молекулярного кислорода, в результате чего органические вещества распадаются до конечных продуктов - до углекислого газа и воды. Ключевым для этого типа дыхания является цикл трикарбоновых кислот - цикл Кребса. Анаэробный тип дыхания или гликолиз происходит без участия молекулярного кислорода и при этом органические вещества (глюкоза и гликоген) расщепляются не до конечных продуктов, а до молочной или пировиноградной кислоты. Поэтому при гликолизе количество высвобождающейся энергии бывает меньше, чем при аэробном дыхании. Энергия, образовавшаяся при клеточном дыхании, частично превращается в тепло, которое обеспечивает постоянную температуру тела, а часть ее переходит в химические связи синтезируемого аденозинтрифосфата (АТФ). АТФ является макроэргическим, т.е. богатым энергией соединением и выполняет в клетке роль аккумулятора. Центральным органоидом, который обеспечивает окислительно-восстановительные процессы, являются митохондрии. Митохондрии Митохондрии - это структуры палочковидной или овальной формы (греч. mitos - нить, chondros - гранула). Они обнаружены во всех животных клетках (исключая зрелые эритроциты): у высших растений, у водорослей и простейших. Отсутствуют они только у прокариот. Эти органеллы впервые были обнаружены и описаны в конце прошлого столетия Альтманом. Несколько позже Бенда (1898) назвал эти структуры митохондриями. В 1948 г. Хогебум указал на значение митохондрий как центра клеточного дыхания, а в 1949 г. Кеннеди и Ленинджер установили, что в митохондриях протекает цикл окислительного фосфорилирования. Так было доказано, что митохондрии служат местом генерирования энергии. Митохондрии видны в обычном световом микроскопе при специальных методах окраски. В фазово - контрастном микроскопе и в «темном поле» их можно наблюдать в живых клетках. Строение, размеры, форма митохондрий очень вариабельны. Это зависит в первую очередь от функционального состояния клеток. Например, установлено, что в мотонейронах мух, летающих непрерывно 2 часа, проявляется огромное количество шаровидных митохондрий, а у мух со склеенными крыльями число митохондрий значительно меньше и они имеют палочковидную форму (Л. Б. Левинсон). По форме они могут быть нитевидными, палочковидными, округлыми и гантелеобразными даже в пределах одной клетки. Митохондрии локализованы в клетке, как правило, либо в тех участках, где расходуется энергия, либо около скоплений субстрата (например, липидных капель), если таковые имеются. Строгая ориентация митохондрий обнаруживается вдоль жгутиков сперматозоидов, в поперечно-полосатой мышечной ткани, где они располагаются вдоль миофибрилл, в эпителии почечных канальцев локализуются во впячиваниях базальной мембраны и т.д. Количество митохондрий в клетках имеет органные особенности, например, в клетках печени крыс содержится от 100 до 2500 митохондрий, а в клетках собирательных канальцев почки - 300, в сперматозоидах различных видов животных от 20 до 72, у гигантской амебы Chaoschaos их число достигает 500 000. Размеры митохондрий колеблются от 1 до 10 мкм. Ультрамикроскопическое строение митохондрий однотипно, независимо от их формы и размера. Они покрыты двумя липопротеидными мембранами: наружной и внутренней. Между ними располагается межмембранное пространство. Впячивания внутренней мембраны, которые вдаются в тело митохондрий, называются кристами. Расположение крист в митохондриях может быть поперечным и продольным. По форме кристы могут быть простыми и разветвленными. Иногда они образует сложную сеть. В некоторых клетках, например, в клетках клубочковой зоны надпочечника кристы имеют вид трубочек. Количество крист прямо пропорционально интенсивности окислительных процессов, протекающих в митохондриях. Например, в митохондриях кардиомиоцитов их в несколько раз больше, чем в митохондриях гепацитов. Пространство, ограниченное внутренней мембраной, составляет внутреннюю камеру митохондрий. В нем между кристами находится митохондриальный матрикс — относительно электронно плотное вещество. Белки внутренней мембраны синтезируются миторибосомами, а белки внешней мембраны - циторибосомами. 'Наружная мембрана митохондрий по многим показателям сходна с мембранами ЭПС. Она бедна окислительными ферментами. Немного их и в мембранном пространстве. Зато внутренняя мембрана и митохондриальный матрикс буквально насыщены ими. Так, в матриксе митохондрий сосредоточены ферменты цикла Кребса и окисления жирных кислот. Во внутренней мембране локализована цепь переноса электронов, ферменты фосфорилирования (образования АТФ из АДФ), многочисленные транспортные системы. Кроме белка и липидов, в состав мембран митохондрий входит РНК, ДНК, последняя обладает генетической специфичностью, и по своим физико-химическим свойствам отличается от ядерной ДНК. При электронно-микроскопических исследованиях обнаружено, что поверхность наружной мембраны покрыта мелкими шаровидными элементарными частицами. Внутренняя мембрана и кристы содержат подобные элементарные частицы на «ножках», так называемые грибовидные тельца. Они -состоят из трех частей: головки сферической формы (диаметр 90-100 А°), ножки цилиндрической формы, длиной 5 нм и шириной 3-4 нм, основания, имеющего размеры 4 на 11 нм. Головки грибовидных телец связаны с фосфорилированием, затем обнаружено, что головки содержат фермент, обладающий АТФ-идной активностью. В межмембранном пространстве находится вещество, обладающее более низкой электронной плотностью, чем матрикс. Оно обеспечивает сообщение между мембранами и поставляет для ферментов, находящихся в обеих мембранах, вспомогательные катализаторы-коферменты. В настоящее время известно, что наружная мембрана митохондрий хорошо проницаема для веществ, имеющих низкий молекулярный вес, в частности, белковых соединений. Внутренняя мембрана митохондрий обладает избирательной проницаемостью. Она практически непроницаема для анионов (Cl-1, Br-1, SO4-2, HCO3-1, катионов Sn+2, Mg+2, ряда cахаров и большинства аминокислот, тогда как Са2+, Мп2+, фосфат, многокарбоновые кислоты легко проникают через нее. Имеются данные о наличии во внутренней мембране нескольких переносчиков, специфических к отдельным группам проникающих анионов и катионов. Активный транспорт веществ через мембраны осуществляется благодаря использованию энергии АТФ-азной системы или электрического потенциала, генерируемого на мембране в результате работы дыхательной цепи. Даже АТФ, синтезированная в митохондриях, может выйти с помощью переносчика (сопряженный транспорт). Матрикс митохондрий представлен мелкозернистым электронно-плотным веществом. В нем располагаются миторибосомы, фибриллярные структуры, состоящие из молекул ДНК и гранул, имеющих диаметр более 200А◦ образованные солями: Ca3(PO4), Ba3(PO4)2, Mg3(PO4). Полагают, что гранулы служат резервуаром ионов Са+2 и Мg+2. Их количество увеличивается при изменении проницаемости митохондриальных мембран. Присутствие в митохондриях ДНК обеспечивает участие митохондрий в синтезе РНК и специфических белков, а также указывает на существование цитоплазматической наследственности. Каждая митохондрия содержит в зависимости от размера одну или несколько молекул ДНК (от 2 до 10). Молекулярный вес митохондриальной ДНК около (30-40)*106 у простейших, дрожжей, грибов. У высших животных около (9–10) *106. Длина ее у дрожжей примерно равна 5 мкм, у растений - 30 мкм. Объем генетической информации, заключенный в митохондриальной ДНК, невелик: он состоит из 15-75 тыс. пар оснований, которые могут кодировать в среднем 25-125 белковых цепей с молекулярным весом около 40000. Митохондриальная ДНК отличается от ядерной ДНК рядом особенностей: более высокой скоростью синтеза (в 5-7 раз), она более устойчива к действию ДНК-азы, представляет собой двухкольцевую молекулу, содержит больше гуанина и цитозина, денатурируется при более высокой температуре и легче восстанавливается. Однако не все митохондриальные белки синтезируются митохондриальной системой. Так, синтез цитохрома С и других ферментов обеспечивается информацией, содержащейся в ядре. В матриксе митохондрий локализованы, витамины А, В2, В12, К, Е, а также гликоген. Функция митохондрий заключается в образовании энергии, необходимой для жизнедеятельности клеток. Источником энергии в клетке могут служить различные соединения: белки, жиры, углеводы. Однако единственным субстратом, который немедленно включается в энергетические процессы, является глюкоза. Биологические процессы, в результате которых в митохондриях образуется энергия, можно подразделить на 3 группы: I группа - окислительные реакции, включающие две фазы: анаэробную (гликолиз) и аэробную. II группа - дефосфорилирование, расщепление АТФ и высвобождение энергии, III группа - фосфорилирование, сопряженное с процессом окисления. Процесс окисления глюкозы вначале происходит без участия кислорода (анаэробным или гликолитическим путем) до пировиноградной или молочной кислоты. Однако при этом энергии выделяется лишь небольшое количество. В дальнейшем эти кислоты вовлекаются в процессы окисления, которые протекают с участием кислорода, т. е. являются аэробными. В результате процесса окисления пировиноградной и молочной кислоты, названной циклом Кребса, образуется углекислый газ, вода и большое количество энергии. Образующаяся энергия не выделяется в виде тепла, что привело бы к перегреванию клеток и гибели всего организма, а аккумулируется в удобной для хранения и транспорта форме в виде аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ). Синтез АТФ происходит из АДФ и фосфорной кислоты и вследствие этого называется фосфорилированием. В здоровых клетках фосфорилирование сопряжено с окислением. При заболеваниях сопряженность может разобщаться, поэтому субстрат окисляется, а фосфорилирование не происходит, и окисление переходит в тепло, а содержание АТФ в клетках снижается. В результате повышается температура и падает функциональная активность клеток. Итак, основная функция митохондрий заключается в выработке практически всей энергии клетки и происходит синтез компонентов, необходимых для деятельности самого органоида, ферментов «дыхательного ансамбля», фосфолипидов и белков. Еще одной стороной деятельности митохондрий является их участие в специфических синтезах, например, в синтезе стероидных гормонов и отдельных липидов. В ооцитах разных животных образуются скопления желтка в митохондриях, при этом они утрачивают свою основную систему. Отработавшие митохондрии могут накапливать также продукты экскреции. В некоторых случаях (печень, почки) митохондрии способны аккумулировать вредные вещества и яды, попадающие в клетку, изолируя их от основной цитоплазмы и частично блокируя вредное действие этих веществ. Таким образом, митохондрии способны брать на себя функции других органоидов клетки, когда это требуется для полноценного обеспечения того или иного процесса в норме или в экстремальных условиях. Биогенез митохондрий. Митохондрии представляют собой обновляющиеся структуры с довольно кратким жизненным циклом (в клетках печени крысы, например, период полужизни митохондрий охватывает около 10 дней). Митохондрии образуются в результате роста и деления предшествующих митохондрий. Деление их может происходить тремя способами: перетяжкой, отпочковыванием небольших участков и возникновением дочерних митохондрий внутри материнской. Делению (репродукции) митохондрий предшествует репродукция собственной генетической системы - митохондриальной ДНК. Итак, согласно взглядам большинства исследователей, образование митохондрий происходит преимущественно путем саморепродукции их de novo. 4. Органоиды, участвующие в делении и движении клеток К ним относятся клеточный центр и его производные-реснички и жгутики. Клеточный центр Клеточный центр имеется в животных клетках и у некоторых низших растений. Со времени классических работ конца XIX и начала XX века (ван Бенеден, Бовери, Гейденгайн, Вильсон и др.) было известно, что этот органоид представлен одной или двумя небольшими гранулами, получившими название центриолей. Такой вид клеточный центр имеет обычно в интерфазе, тогда как во время митоза строение его усложняется. В этот период он входит в состав сложной структуры, которая занимает значительную часть объема клетки и носит название митотического аппарата. В большинстве клеток центриоли видеть не удается, так как их размеры лежат на грани разрешающей способности обычного микроскопа. Расположение центриолей постоянно для каждого типа клеток, как правило, они занимают геометрический центр клетки. Однако часто центриоли оттесняются из центра ядром к апикальной части клетки. Строение центриолей. Центриоли окружены светлой зоной - центросферой, от которой отходит лучистость, образующая звезду или астросферу. Между центриолями находится удлиненное тельце, или мостик - центродесмоза, которая во время митотического деления участвует в построении ахроматинового веретена. С помощью электронного микроскопа установлено, что каждая центриоль имеет вид цилиндра длиной до 2 мкм. Внутренняя eе часть обладает небольшой плотностью в отличие от стенки, которая имеет высокую электронную плотность и постоянно содержит 9 групп микротрубочек (диаметром 15-20 нм), расположенных по длине центриоли. Каждая группа имеет от 1 до 3 микротрубочек (Э. де Робертис, В. Новинский, Ф. Саэс, 1973). В случае, когда клеточный центр содержит две центриоли, то они расположены перпендикулярно друг другу. Помимо центриолей, в клеточном центре описаны перицентриольные компоненты. К ним относятся: сателлиты - плотные сферические образования (диаметром 70 нм), иногда прикрепленные к стенкам цилиндров, а также структуры, которые можно рассматривать как дочерние центриоли, ответвляющиеся под прямым углом от материнской центриоли. По-видимому, они представляют собой не постоянные, а временные образования, связанные с фазами активности центриолей. Функции клеточного центра разнообразны. Прежде всего, клеточный центр играет важную роль при митотическом делении клеток. Во время митоза центриоли удваиваются (очевидно, путем ответвления дочерних центриолей) и вместе с окружающими их астросферами расходятся к полюсам клетки, участвуя в построении митотического аппарата. С помощью этого аппарата осуществляется равномерное распределение хромосом между дочерними клетками. Поэтому, если под влиянием тех или иных причин (температура, химические и физические факторы) нарушается процесс удвоения и расхождения центриолей, то наступает патология митоза типа много полюсного, моноцентрического или асимметрического. Роль клеточного центра не исчерпывается участием в митозе. Он имеет прямое отношение к движению ресничек многих клеток. В настоящее время подтверждена высказанная еще в конце прошлого века гипотеза об идентичности строения центриолей и базальных телец, лежащих в основании мерцательных ресничек и. жгутиков. 7.3. Демонстрация преподавателем методики практических приемов по данной теме. Преподаватель знакомит студентов с планом и методикой проведения практической работы. 7.4. Самостоятельная работа студентов под контролем преподавателя. |