Поверхностный аппарат клетки. Методические указания.. Михеев в. С

• Название: Михеев в. С
• Анкор: Поверхностный аппарат клетки. Методические указания..doc
• Дата: 25.04.2017
• Размер: 0.92 Mb.
• Имя файла: Поверхностный аппарат клетки. Методические указания..doc
• Тип: Реферат; #4868
• Категория: Биология. Ветеринария. Сельское хозяйство
• страница: 4 из 18

СТРУКТУРА И ФУНКЦИИ КЛЕТКИ ЖИВОТНЫХ

Неделящаяся клетка представляет собой сложную мембранную сис­тему, в составе которой выделяют 3 главных субсистемы: поверхностный аппарат, цитоплазму и ядерный аппарат. Эти субсистемы взаимодейст­вуют друг с другом структурно и функционально, благодаря чему клетка является целостной простейшей биосистемой.

наверх

ПОВЕРХНОСТНЫЙ АППАРАТ КЛЕТКИ

Поверхностный аппарат (ПА) клетки, или цитотека, это целост­ная структурно-функциональная клеточная субсистема, осуществляющая множество важнейших для клетки функций. ПА включает 3 взаимодейст­вующих компонента: плазмалемму (наружную клеточную мембрану), надмембранный комплекс, или гликокаликс, и субмембранный комплекс, или субмембранный опорно-сократительный аппарат.

Плазмалемма (цитолемма) является наиболее универсальным ком­понентом ПА клетки и представляет собой типичную жидкостно-мозаичную мембрану с равным весовым соотношением липидов и белков. В билипидном слое плазмалеммы встречаются различные фосфоглицеро-липиды, гликосфинголипиды и фосфосфинголипиды, а также липоиды (холестерол).

Фосфолипиды являются доминирующей в весовом отношении фрак­цией билипидного слой плазмалеммы - как правило, их доля составляет более 60% мембранных липидов. Чаще других в плазмалемме представ­лены фосфатидилхолин, фосфатидилэтаноламин и сфингомиелин.

Гликолипиды в плазмалемме большинства типов клеток составляют не более 10% содержимого билииидного слоя, хотя в клетках миелиновой оболочки нейронов они встречаются чаще других мембранных липидов, достигая 30% количества всех липидов наружной клеточной мембраны.

Весовая доля холестерола в плазмалемме клеток млекопитающих достаточно велика около 20%. При этом молярное отношение холесте­рола к фосфолипидам составляет 0.6-0.9 (в зависимости от типа клеток).

Билипидный слой плазмалеммы характеризуется слоевой асимметри­ей. Остатки жирных кислот липидов наружного слоя (обращенного к вне­клеточной среде) более длинные и более насыщенные, т.е. данный слой толще и тверже внутреннего (обращенного к цитоплазме). Очевидно, это связано с необходимостью изоляции содержимого клетки от неблагопри­ятного действия внешних факторов, действующих исходно именно на наружный монослой.

Практически все сфинголипиды (ганглиозиды и сфингомиелины) локализованы в наружном слое плазмалеммы, в котором обнаруживается большая доля фосфатиди.чхолина и отсутствует фосфатидычсерин. Внутренний слой плазмалеммы не содержит сфинголипидов, но включает весь мембранный фосфатидилсерин и большинство мембранного фосфатидилэтаноламина и фосфатидилинозитола.

Асимметрия липидной фазы плазмалеммы создается и поддерживает­ся специальными АТФ-зависимыми мембранными белками флиппазами. Вероятно, она необходима для направленного протекания определенных процессов, в которых участвует ПА клетки.

Белки плазмалеммы разнообразны по структуре и положению в били­пидном слое. Большинство их является трансмембранными ферментами, рецепторами, транспортными и контактными (адгезивными) белками. Функциональный спектр белков плазмалеммы зависит от типа клетки.
Например, в плазмалемме эритроцитов млекопитающих обнаружены трансмембран­ные белки капнофорин (переносчик анионов) и 4 вида гликофоринов, которые являются уникальными для эритроцитов. С другой стороны, во многих типах клеток обнаруживается более 50 разных видов белков плазмалеммы. Часть из них специфична для данного типа клеток, т.е. представляет собой дифференцировочные маркеры (антигены), как гликофорин в эритроцитах.
Надмембранный комплекс, или гликокаликс, расположен над плазмалеммой и включает 2 основных компонента: углеводный и белко­вый. Углеводный компонент гликокаликса представлен, главным обра­зом, олигосахаридными и полисахаридными остатками мембранных гликолипидов и гликопротеинов (как трансмембранных, так и перифери­ческих). Масса таких углеводных компонентов может составлять 2-10% наружной клеточной мембраны. В гликокаликсе ряда клеток обнаружи­ваются свободные олиго- и полисахариды, в частности, гликозаминогликаны.

Белковый компонент надмембранного комплекса включает в себя периферические белки, липопротеины и ацшшротеины, локализованные над билипидным слоем. Количество таких белков в гликокаликсе зависит от типа клеток. Например, в надмембранном комплексе эпителиальных клеток тонкой кишки располагается очень большое количество периферических белков-ферментов, осуществляющих пристеночное пищеварение. С другой стороны, гликокаликс эритроцитов практически не содержит пе­риферических белков, хотя имеет мощно развитый углеводный надмем­бранный комплекс.
К белковому компоненту гликокаликса принято относить и некоторые интегральные белки, точнее - их наружные домены. Такие белки зафиксированы в билипидном слое плазмалеммы своими грансмембранными доменами и имеют крупные надмембранные домены, функционирующие во внеклеточной среде.

Примером подобных белков являются иммуноглобулины ПА В-лимфоцитов (клеток иммунной системы), наружные домены которых выполняют функцию связывавания анти­генов, попавших во внутреннюю среду организма. Этот вид иммуноглобулинов получил название В-клеточных рецепторов и представлен в ПА соответствующих лимфоцитов в большом количестве.

В ряде случаев развитие надмембранного комплекса приводит к формированию осо­бых неклеточных структур - производных гликокаликса, в состав которых входят белки и гликопрогеины К таким структурам, например, относятся базальные мембраны эпители­альных клеток (тканей) и внеклеточный матрикс соединительных тканей.
Таким образом, гликокаликс физико-химически связан с плазмалеммой, составляя с ней и функционально единое образование. Фактически, структурную границу между этими компонентами ПА клетки провести достаточно трудно, что подчеркивает структурно-функциональную цело­стность ПА как субсистемы клетки.

Субмембранный комплекс, или субмембранный опорно-сократительный аппарат (COCA), локализован внутриклеточно, кон­тактируя с внутренней поверхности нлазмалеммы. В состав COCA вклю­чают специализированный участок цитозоля, прилегающий к плазмалемме - периферическую гиалоплазму, в которой располагается опорно-сократительная система ПА клетки.

Периферическая гиалоплазма представляет собой водный раствор огромного числа различных ионов, малых органических соединений и крупных молекул, включая белки. Функции этого элемента COCA чрез­вычайно разнообразны, что позволяет считать периферическую гиалоплазму микросредой, которая обеспечивает практически все процессы и явления, характерные для ПА клетки.

Опорно-сократительная система, локализованная в перифериче­ской гиалоплазме, состоит из надмолекулярных белковых нитевидных структур. Среди них основное значение имеют тонкие фибриллы (тонкие филаменты), микрофибриллы (микрофиламенты), скелетные фибриллы (промежуточные филаменты) и микротрубочки.

Тонкие фибриллы (ТФ) представляют собой нити диаметром 2-4 нм, состоящие из фибриллярных белков. Структура и функции этих элементов изучены пока недостаточно, однако ясно, что они гетерогенны как по составу своих белков, так и по выполняемым функциям.
Есть основания считать, что ТФ образуют единую трехмерную сеть, локализованную не только в периферической гиалоплазме, но и всей цитоплазме. Она получила название микротрабекулярной сети и. очевидно, выполняет пространственно-организующую функ­цию в отношении макромолекул и органоидов клетки - препятствует их беспорядочному движению путем взаимодействия с ними.
Некоторые ТФ, называемые линкерами, служат звеньями, соединяю­щими между собой другие элементы опорно-сократительной системы (микрофибриллы, скелетные фибриллы и микротрубочки).
В специализированных клетках ТФ могут быть представлены в значительном количе­стве и выполнять специфичные для данных клеток функции. В настоящее время достаточно обосновано мнение о том, что система ТФ функционирует как один из наиболее лабильных элементов цитоскепета (скелета клетки), ограничивающий спонтанную подвижность, в частности, компонентов COCA.
Микрофибриллы (микрофиламенты, МФ) - универсальный элемент ПА клеток в составе COCA, нитевидные структуры диаметром 5-8 нм. МФ состоят из белка актина и группы дополнительных белков, объеди­няемых термином «актинсвязывающие белки».

МФ, структурную основу которой составляет актин, называют акти­новой МФ, или F-актином (фибриллярным актином). F-актин образуется путем полимеризации молекул G-актина (глобулярного актина), т.е. G-актин является протомером F-актина. Необходимое условие полимеризации G-актина - наличие достаточного количества молекул АТФ и ионов Mg²⁺.
G-актин представляет собой глобулярный белок, состоящий из одной полипептидной цепи длиной 374 или 375 аминокислотных остатков. Существует несколько форм G-актина, которые кодируются разными генами; у человека обнаружено около 30 "актиновых" генов. Все формы G-актина объединяют в 3 семейства: α-актины, β-актины и γ-актины

α-Актины, или мышечные актины, представлены иолипептидом из 375 аминокислот­ных остатков и обнаруживаются в клетках исчерченных мышц (скелетная мускулатура и миокард - сердечная мышца). β-Актины и γ-актины, или немышечные актины, состоят из полипеитида длиной 374 аминокислотных остатка и характерны для всех немышечных клеток, а также клеток гладких мышц. G-актины незначительно отличаются друг от друга по первичной структуре, но их третичная структура практически одинакова.

G-актин имеет 2 домена, разделенных глубокой щелью, каждый из которых представ­лен двумя субдоменами На поверхности молекулы находится большое количество отрица­тельно заряженных аминокислотных радикалов, причем один из доменов содержит их в большем количестве

В междоменной щели располагается центр связывания АТФ (1 молекула на белок) и ионов Mg²⁺ (Са²⁺), а также несколько центров слабого связывания катионов (К.⁺, Са⁺² и Mg²⁺) Ионы Mg²⁺ (Ca^2t) в центре сильного связывания необходимы для взаимодействия G-актина с АТФ, причем Mg²¹ выполняет эту функцию более эффективно, чем Са⁺². При отсутствии данных двухвалентных катионов центр связывания АТФ не функционирует В результате этого происходит необратимая инактивация G-актина - он теряет способность к полимеризации, формируя беспорядочные агрегаты.
В клетке осуществляется регулируемая полимеризация G-актина - образование F-актина. Этот процесс включает 3 этапа: активацию, инициа­цию (нуклеацию) и элонгацию.

Активации подвергаются свободные молекулы G-актина, которые связаны с АДФ. В норме этот комплекс ассоциирован с одним из регуляторных актинсвязывающих белков тимозином β4, играющим роль инги­битора полимеризации. В ходе активации G-актина происходит диссоциация тимозина и актина с последующей заменой АДФ на АТФ*Мg⁺². Это вызывает определенные изменения конформации белка, необходимые для формирования F-актина. При активации G-актин взаи­модействует с катионами, которые нейтрализуют отрицательный заряд на поверхности белка, препятствующий полимеризации.
Распад комплекса G-актин-тимозин индуцируется белком профилином, который связан с мембранным липидом фосфатидилинозитолфосфатом. При фосфорилировании этого липида образуется фосфатидилинозитолдифосфат, что приводит к освобождению профилина. Свободный профилин вытесняет тимозин из комплекса с актином, стимулирует замену АДФ на АТФ и отсоединяется, создавая все условия для полимеризации G-актина. Таким образом, внутриклеточным сигналом начала полимеризации G-актина является фосфорилирование инозитолфосфата в составе соответствующего мембранного липида.
Инициация (нуклеация) формирования F-актина заключается во взаимодействии трех активированных молекул G-актина с образованием за­травки («зародыша» F-актина). В ходе инициации молекулы G-актина (протомеры) попарно взаимодействуют друг с другом определенными субдоменами разных доменов. В результате этого и формируется тримерная затравка специфической конфигурации.

Элонгация (удлинение) представляет собой последовательное присое­динение активированных молекул G-актина к затравке, что приводит к образованию и удлинению полимерного F-актина. Характер взаимодейст­вия протомеров с полимером основан на тех же особенностях, которые имеют место при образовании затравок (ассоциация разных доменов). В результате этого формируется спиралевидный полимер (F-актин) диамет­ром 5-7 нм, который выглядит как правосторонняя двойная спираль, со­стоящая из двух левосторонних.
В ходе элонгации после взаимодействия протомеров происходит спонтанный гидролиз связанного АТФ и выделение неорганического фосфата, т.е. в составе F-актина G-актин становится связанным не с АТФ, а с АДФ. Гидролиз АТФ в данном случае приводит к изменению конформации протомеров и усилению связи между ними.
Удлинение F-актина при высоких концентрациях свободного G-актина осуществляется на обоих концах полимера. Однако, как правило, на одном из них, который называют плюс-концом, полимеризация идет с большей скоростью, чем на другом, минус-конце. Это обусловлено тем, что на плюс-конце F-актина АТФ еще не гидролизован, а на минус-конце уже гидролизован. Взаимодействие G-актина-АТФ происходит эффектив­нее с такой же молекулой, чем с G-актином - АДФ, благодаря чему один конец удлиняется быстрее другого в 4-6 раз.
Процесс полимеризации является динамичным и обратимым. Так, при высоких кон­центрациях свободного G-актина на плюс-конце за 1 сек. присоединяется 70 протомеров и отсоединяются 2, а на минус-конце, - соответственно, 20 и 1. При снижении концентрации протомеров происходит сдвиг равновесия реакции в сторону диссоциации. В результате этого скорость элонгации снижается и наступает равновесное состояние - полимеризация на плюс-конце уравновешивается деполимеризацией на минус-конце. В такой ситуации длина F-актина не увеличивается, хотя его состав и обновляется. Дальнейшее уменьшение концентрации свободного F-актина приводит к тому, что деполимеризация на минус-конце идет быстрее, чем полимеризация на плюс-конце, т.е. F-актиновая нить укорачивается.
F-актин - структурная основа актиновых МФ, в состав которых вхо­дят и неактиновые актинсвязывающие белки (АСБ). Существует группа АСБ, которые стабилизируют структуру F-актина, стабилизирующие АСБ. Наиболее универсальным стабилизирующим АСБ является тропомиозин, для которого известно несколько изоформ (α-, β-, γ-, δ- и ε-тропомиозин), характерных для разного типа клеток.
Тропомиозин - это фибриллярный белок, состоящий из двух идентичных α-спиральных полипептидов, т.е. гомодимер. Молекула тропомиозина имеет 14 актинсвязывающих центров, благодаря чему взаимодействует с семью молекулами G-актина в составе F-актина, располагаясь в канавке его спирали. На концах молекул тропомиозина располо­жены центры тандемного взаимодействия друг с другом, т.е. ассоциации по принципу «голова к хвосту».
Молекулы тропомиозина формируют тропомиозиновый тяж, лока­лизованный в спиральных канавках F-актина и стабилизирующий струк­туру актиновой МФ. Объединение молекул тропомиозина с F-актином и удлинение тропомиозинового тяжа осуществляется в ходе элонгации. В клетках имеется АСБ кофилин, который, взаимодействуя с F-актином, блокирует его связывание с тропомиозином. С этой точки зрения, он яв­ляется дестабилизирующим АСБ.

Регуляторные_АСБ влияют на процесс полимеризации F-актина. Од­ним из них является профилин, блокирующий стадию инициации. Регуляторные АСБ, функционирующие на этане элонгации, можно подразделить на 2 группы: кэпирующие и режущие. В отличие от профилина, эти АСБ взаимодействуют не с G-актином, а с F-актином.

Кэпирующие белки (от англ, cap - шапка) в активном состоянии при­соединяются к концам МФ и тем самым регулируют процесс элонгации. Известен гетеродимерный белок, взаимодействующий с плюс-концом МФ, - кэп-белок, который останавливает процесс полимеризации на этом конце, т.е. рост МФ.

Обнаружена группа белков, кэпирующих минус-конец (акументин, β-актинин, спектрин и др.) и блокирующих полимеризацию (или деполиме­ризацию) на этом конце МФ. В зависимости от концентрации свободного G-актина, последствия действия таких белков могут быть разными: уменьшение, стабилизация или удлинение МФ. Таким образом, активируя или синтезируя те или иные кэпирующие белки, клетка способна тонко регулировать длину актиновых МФ.

К регуляторным АСБ относят режущие белки, которые, присоединя­ясь к F-актину, вызывают его деполимеризацию или фрагментацию (раз­резание длинной нити на несколько более коротких). Часть таких белков (гельзолин, виллин) не требуют для своей функции ионов Са²⁺, т.е. явля­ются Са²⁺-независимыми. Они взаимодействуют с плюс-концом МФ, блокируя полимеризацию, и индуцируют фрагментацию МФ.

Другая группа режужих белков (фрагмин, северин) представлена Са²⁺-зависимыми белками, активирующимися при определенной концен­трации этого иона. Они также присоединяются к плюс-концу и разрезают МФ на короткие фрагменты. Благодаря этому при значительных концен­трациях Са²⁺ в периферической гиалоплазме возможна «взрывная» (очень быстрая) деполимеризация МФ.
Большинство режущих белков - это мономеры с молекулярной массой (45-95 кДа). Однако обнаружены и низкомолекулярные представители этой группы, например, актин-деполимеризующий фактор (19 кДа). Этот белок связывает G-актин, после чего приобрета­ет способность к фрагментации МФ.
Актиновые МФ в COCA выполняют пространственно-организующую функцию, являясь одним из элементов цитоскелета. В частности, они способны взаимодействовать с интегральными белками плазмалеммы и тем самым ограничивать их подвижность в билипидном слое. С помощью МФ, соединяющих мембранные белки, осуществляется определенная пространственная ориентация таких белков по отношению друг к другу в плазмалемме.

Отдельные МФ в клетке могут взаимодействовать друг с другом и формировать сложные структуры. Такое взаимодействие осуществляется с помощью особой группы АСБ - сшивающих белков.

К первой подгруппе сшивающих белков относят элонгирующие белки, структура и функции которых практически не изучены. Тем не менее при определенных условиях они вызывают объединение коротких фрагментов F-актина в длинную МФ, т.е. индуцируют быструю, взрывную полимери­зацию.

Вторая подгруппа сшивающих белков (фасцин, фимбрин, виллин и др.) обеспечивает образование пучков МФ. Они, как правило, являются мономерными и соединяют МФ параллельно друг другу - формируют пучок МФ. В зависимости от строения белка, могут образовываться плотные пучки МФ (нити натяжения) или рыхлые пучки МФ.

Третья подгруппа сшивающих белков представлена гомодимерами (филамин, β-актинин, фодрин, актиногелин и др.), с помощью которых образуются сети МФ. Эту подгруппу белков называют желактирующими белками, или желактинами. Данные белки каждым из своих протомеров взаимодействуют с одной МФ, объединяя их непараллельно, в результате чего формируются трехмерные сети МФ, расположенные в перифериче­ской гиалоплазме.

Еще одну группу АСБ, которую можно отнести к сшивающим белкам, представляют якорные белки. Функцией таких, в большинстве мономер­ных, белков (винкулин, талин, спектрин и др.) является прикрепление отдельных МФ, их пучков и сетей к белкам плазмалеммы. Большинство якорных белков взаимодействует с внутренними участками МФ, однако, существуют и якорные белки, фиксирующие концы МФ или пучков МФ. Такие белки можно относить и к кэпирующим белкам.
Действие сшивающих белков регулируется клеткой: они могут быть инактивированы либо путем расщепления с помощью ферментов протеаз, либо путем фосфорилирования с помощью протеинкиназ.
Пучки и сети МФ, как и отдельные МФ, являются элементами цитоскелета в составе COCA. Сети МФ могут выполнять и пространственно-организующую роль в отношении белков плазмалеммы, определяя их взаимное расположение в билипидном слое и ограничивая их подвиж­ность.