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: 7 из 18

Если функции моторных доменов кинезина нарушены (наследст­венные изменения структуры белка) или подавлены (например, спе­цифическими антителами), в клетке прекращается только антероградный транспорт мембранных пузырьков.

Динеины представляют собой более разнообразную группу двигательных АМБ, формирующих тубулин-динеиновые системы. Наиболее универсальным является цитоплазматический динеин, количество кото­рого очень велико в нейронах.

В состав цитоплазматического динеина входят 2 тяжелые цепи (400 кДа) с глобуляр­ным моторным и фибриллярным стержневым доменами. Благодаря этому формируется молекула двухголового динеина, содержащая также несколько легких цепей. Моторные домены этого динеина обладают узкой специфичностью в отношении способности гидроли­за нуклеозидтрифосфатов - используют только АТФ.
Цитоплазматический динеин, как и кинезин, выполняет транслокаторную функцию - транспортирует мембранные пузырьки вдоль МТ. Однако, в отличие от кинезина, динеин двигается но МТ от плюс-конца к минус-концу, осуществляя ретроградный транспорт (от ПА клетки к ее центру).

В нейронах ретроградному транспорту подвергаются мембранные пузырьки, выделив­шие нейромедиаторы в синаптическую щель. Выполнив свою функцию, они возвращаются по МТ аксона в тело нейрона, где вновь «загружаются» нейромедиаторами.
Существуют динеины, обнаруживаемые в органоидах, являющихся компонентами ПА клеток. К таким органоидам относятся реснички, характерные для ряда эпителиальных клеток (ресничный эпителий), и жгутики, гомологом которых являются хвосты мужских половых клеток сперматозоидов.

В составе данных динеинов обнаруживаются 3 вида тяжелых цепей (более 400 кДа): α-, β- и γ-цепи, а также набор легких и промежуточных цепей (10-80 кДа). Тяжелые цепи динеинов этой подгруппы имеют длинный фибриллярный (стержневой) и глобулярный (моторный) домены, благодаря чему могут формироваться одноголовые, двухголовые и трехголовые молекулы (по числу тяжелых цепей в них). Моторные домены имеют АТФазный центр и центры связывания с тубулином (МТ), благодаря чему могут двигаться вдоль МТ от плюс-конца к минус-концу, т.е. ретроградно.

Стержневой домен «реснично-жаугиковых» динеинов способен прочно связываться с МТ, в результате чего на ней образуются динеиновые ручки. Наличие динеиновых ручек позволяет этой МТ двигаться вдоль другой за счет работы моторных доменов, расщепляю­щих АТФ. Именно такой механизм и обеспечивает взаимное скольжение дублетов МТ ресничек и жгутиков, в результате чего изменяется форма этих органоидов. Изменение формы жгутика обеспечивает или движение клетки в жидкой среде (сперматозоиды) или движение жидкой среды (слизи) по отношению к клетке (ресничный эпителий слизистых).
Динамины являются транслокаторами, обнаруженными в нейронах не так давно, поэтому их структура и функции изучены недостаточно. Известно, что они обладают ГТФазной активностью, позволяющей им двигаться по МТ от плюс-конца к минус-концу, т.е. ретроградно. При взаимодействии с МТ динамин вызывает формирование гексагонально упакованных пучков МТ, которые "расползаются" при добавлении ГТФ.
В эукариотических клетках обнаружены транслокаторы, не входящие в группы кине­зинов, динеинов и динаминов. В частности, известен транслокатор, способный передви­гаться по МТ в обоих направлениях (и антерофадно, и ретрофадно). Этот транслокатор выявляется в цитоплазматических пучках МТ, где он обеспечивает скольжение МТ относи­тельно друг друга, индуцируемое добавлением АТФ
Таким образом, МТ представляют собой важный элемент COCA, взаимодействующий структурно и функционально с другими его элемен­тами. МТ являются одной из составляющих цитоскелета, выполняя опорную и пространственно-организующую функцию. С другой стороны, МТ необходимы для осуществления определенных вариантов движения клеточных компонентов, являясь элементом тубулин-транслокаторной системы.
Благодаря этому нарушение структуры и функций МТ приводит к неблагоприятным последствиям в отношении жизнедеятельности клеток.

На процессы полимеризации-деполимеризации тубулинов влия­ют определенные физические факторы. В частности, повышенное давление и пониженная температура вызывают разрушение (депо­лимеризацию) МТ, что следует учитывать в случаях длительного переохлаждения организма, использования баротерапии (лечения в барокамере при повышенном давлении) и работе водолазов на боль­ших глубинах.

Эффект пониженной температуры менее всего сказывается в нейронах, где до 60% МТ являются холодоустойчивыми. Эта устой­чивость определяется связью МТ с одним из структурных АМБ-STOP. Повышенная температура, напротив, стимулирует полимери­зацию МТ, что также нарушает функции клеток.

Этанол (алкоголь) вызывает разрушение МТ. Это может быть одной из причин психической деградации хронических алкоголиков, так как МТ играют важнейшую роль в транспорте мембранных пу­зырьков с нейромедиаторами в клетках мозга. При этом уменьшение числа МТ в клетке приводит к увеличению количества СФ, что вно­сит свой вклад в нарушение функций клеток, особенно нейронов.

Некоторые общие анестетики, в частности, галотан, стимули­руют процесс полимеризации, в результате чего МТ удлиняются в 2-3 раза. Таким образом, продолжительный общий наркоз может быть причиной нарушения функций клеток организма.

Растительные алкалоиды колхицин, винбластин и винкристин связываются с димерами тубулинов, которые, присоединяясь к плюс-концу МТ, блокируют полимеризацию и вызывают деполиме­ризацию (разрушение) МТ.

Аналогичным эффектом обладает синтетический химический препарат нокодазол, взаимодействующий с МТ и дестабилизирую­щий их. Благодаря своему действию на МТ, винбластин, винкристин и нокодазол используют в качестве противоопухолевых лекарствен­ных препаратов цитостатиков, так как они блокируют деление раковых клеток, для которого необходима система МТ (веретено деления).

Растительный препарат тиксол присоединяется к МТ и блокиру­ет их разборку (деполимеризацию) даже при действии деполимери-зующих МТ агентов. Кроме того таксол связывает свободные молекулы тубулина в беспорядочные агрегаты, что вызывает дефи­цит свободных тубулинов и подавляет процессы формирования но­вых МТ и рост уже имеющихся.

В результате клетка теряет способность формировать веретено деления (или разбирать его) и, соответственно, делиться. Благодаря этому таксол также используют как противоопухолевый, цитостати-ческий препарат.

Наследственные нарушения структуры тубулинов, вероятно, практически несовместимы с жизнью клеток и организма из-за важ­ности функций МТ. Однако известны наследственные болезни, при­чиной которых является нарушение функций тубулин-динеиновой системы ресничек и жгутиков.

К таким болезням относится синдром неподвижных ресничек, или первичная цилиирная дискинезия (ресничковая неподвижность). Наи­более часто встречается вариант этой болезни, известный под назва­нием синдром Картагенера, который обусловлен дефектом динеиновых ручек. Потеря двигательной активности ресничками слизистых эпителиев дыхательных путей и среднего уха при этой болезни приводит к застою слизи и задержке на ней микроорганиз­мов, которые в норме выводятся вместе со слизью.

В результате больные страдают хроническими бронхитами (вос­палениями дыхательных путей) и отитами (воспалениями среднего уха). Кроме того, мужчины с этой болезнью являются стерильными (бесплодными), так как сперматозоиды у них неподвижны - не спо­собны двигаться по женским половым путям, где происходит про­цесс оплодотворения яйцеклеток.

Синдром Картагенера характеризуется situsinversus(обратным расположением внутренних органов) из-за неподвижности ресничек в раннем эмбриогенезе, когда происходит поворот передней части за­родыша направо. Кроме того нарушение движения ресничек эпенди­мы (клеток, выстилающих центральный канал спинного мозга и желудочки головного мозга) приводит у больных детей к гидроцефалин (водянке головного мозга) и внутричерепной гипертензии (по­вышенному внутричерепному давлению).
Характерная черта COCA клетки - структурное единство, которое проявляется во взаимодействии всех ее элементов между собой. Конкрет­но, МФ могут образовывать пучки МФ, связываться со СФ и МТ. Анало­гично, СФ могут взаимодействовать как друг с другом, так и с другими составляющими COCA: МТ и МФ. МТ также способны формировать пучки и более сложные комплексы (дублеты и триплеты МТ) и связывать­ся с МФ и СФ.

Взаимодействуя друг с другом, элементы COCA обладают свойством образовывать связи с определенными интегральными (трансмембранны­ми) белками плазмалеммы. Благодаря этому COCA представляет собой компонент единой субсистемы клетки - ее ПА, так как плазмалемма структурно связана не только с COCA, но и с гликокаликсом. Структурное единство ПА клетки определяет то, что эта субсистема осуществляет свои функции как целостное формирование.

наверх
ФУНКЦИИ ПОВЕРХНОСТНОГО АППАРАТА КЛЕТКИ

Барьерно-транспортная функция ПА клетки обусловлена избира­тельным переносом ионов, молекул и надмолекулярных структур через ПА как в клетку, так и из клетки. Ведущую роль в осуществлении этой функции играет плазмалемма.

Главным барьерным компонентом плазмалеммы является билипидный слой (БЛС), который с обеих сторон представлен гидрофильными зонами (головки мембранных липидов), ограничивающими центральную гидрофобную зону (хвосты липидов обоих монослоев). Благодаря этому БЛС является мощным барьером для всех заряженных частиц и молекул, начиная с простых ионов (Н⁺, К⁺, Na⁺, Ca²⁺, Сl^-, НСО₃^- и т.д.).

Гидрофобная зона БЛС не проницаема и для относительно крупных гидрофильных молекул (аминокислоты, моносахариды, нуклеотиды). Тем не менее, БЛС представляет собой не абсолютный барьер, а относитель­ный - через него способны диффундировать малые незаряженные моле­кулы, например, вода, кислород и диоксид углерода (углекислый газ).

БЛС является барьером и для гидрофобных молекул. С одной сторо­ны, этому способствуют гидрофильные зоны по обе стороны БЛС, за­трудняющие проникновение гидрофобных молекул в гидрофобную зону. С другой стороны, если такие молекулы попадают в БЛС, они «застрева­ют» в его гидрофобной зоне, так как с обеих сторон этой зоны находится гидрофильная среда. Именно благодаря этому гидрофобные вещества в клетке имеют тенденцию накапливаться в клеточных мембранах, включая плазмалемму.

Таким образом, «барьерность» БЛС препятствует спонтанному, не­контролируемому проникновению в клетку абсолютного большинства молекул и всех ионов. В результате клетка получает возможность сохранить индивидуальность своей гиалоплазмы по отношению к внеклеточной среде. Эта индивидуальность определяется различиями концентраций многих ионов и молекул по разные стороны плазмалеммы, поэтому нару­шение непрерывности БЛС приводит к тяжелым для клетки последствиям. На этом частично основан механизм действия некоторых клеток иммунной системы, в частности, натуральных киллеров, Т-киллеров (цитотоксических лимфоцитов) и эозинофилов. Данные клетки, взаимодействуя с собственными изменившимися клетками (рако­выми или зараженными вирусом) или чужеродными клетками (клетками паразитических организмов), секретируют специфические белки перфорины.

Перфорины встраиваются в БЛС плазмалеммы клетки-мишени и формируют в нем поры достаточно большого диаметра. Через эти поры начинают диффундировать ионы и молекулы, находившиеся в неравновесном состоянии из-за барьерных свойств БЛС.

Например, в клетку через поры поступают ионы Na⁺ и Сl^-, но вы­ходит К⁺. В результате этого в клетке возникает ионный дисбаланс, существенным образом нарушающий ее функции. Кроме Na⁺ и Сl^- в клетку начинает интенсивно поступать вода, так как в гиалоплазме находится большое количество крупных молекул, не способных про­ходить через поры и представленных во внеклеточной среде в мень­шем количестве или отсутствующих там. Проникновение воды в клетку, основанное на осмосе, усиливает неблагоприятные эффекты ионного дисбаланса. Кроме того, клетка увеличивается в объеме, попадая в состояние осмотического шока, и затем разрушается.

В настоящее время искусственно синтезированы литические пептиды, которые встраиваются преимущественно в плазмалемму клеток с измененным цитоскелетом. К таким клеткам относятся раковые или пораженные внутриклеточными паразитами (вируса­ми, бактериями, простейшими). Использование литических пептидов в медицине открывает возможности лечения опухолевых и ряда па­разитарных болезней путем индукции лизиса изменившихся клеток организма.

Для нормальной жизнедеятельности клетка должна осуществлять ре­гулируемый обмен молекул и частиц между внутриклеточной и внекле­точной средой, т.е. через ПА клетки. Этот обмен происходит несколькими способами: свободным транспортом, пассивным транспортом, актив­ным транспортом и транспортом в мембранной упаковке.

Свободный транспорт (СТ), или простая диффузия, происходит через билипидный слой (БЛС) плазмалеммы. С этой точки зрения, СТ является второй стороной барьерных свойств БЛС. СТ это диффузия молекул через БЛС, подчиняющаяся фундаментальным физико-химическим законам с учетом структуры мембраны, через которую про­никают транспортируемые молекулы.

СТ в виде потока молекул через БЛС возможен только при наличии градиента (разности) концентраций молекул но обе стороны БЛС. В таком случае возникает диффузионный поток, направленный по градиенту концентрации, т.е. из области высокой концентрации молекул в область более низкой концентрации.

Таким образом, СТ_осуществляется самопроизвольно за счет энергии самого градиента концентрации. Из этого следует, что он не требует затрат энергии со стороны клетки и прекращается при величине градиента,

равной нулю (равновесное состояние). Скорость СТ зависит от абсолют­ной величины градиента концентрации молекул чем она больше, тем выше скорость транспорта молекул.

С точки зрения законов физики, СТ направлен против градиента концентрации, по­скольку параметр «градиент», в соответствии с первым законом Фика, определяется как отрицательная величина.

Барьерные свойства БЛС определяют то, что с физиологически зна­чимой скоростью СТ подвергаются малые незаряженные молекулы. Био­логически важными молекулами с такими параметрами являются вода, кислород и диоксид углерода (CO₂). Благодаря этому в клетки поступает определенное количество воды и кислорода, а из нее выводится избыток диоксида углерода, продукта энергетического обмена клетки. Таким обра­зом, СТ представляет собой достаточно важный элемент транспортной функции ПА клетки.

Большинство молекул и ионы не способны свободно диффундировать через БЛС, находясь в определенных концентрациях во внеклеточной и внутриклеточной средах. Если это равновесное состояние нарушить, оно восстанавливается, но за счет диффузии не растворенных молекул и час­тиц, а молекул растворителя воды, которая транспортируется через БЛС по законам простой диффузии, в данном случае - осмоса.

Это свойство воды необходимо учитывать при введении лекар­ственных препаратов в кровяное русло (внутривенном введении), так как плазма крови имеет определенный ионный состав (баланс). Если вводим, препарат в растворе с низкой концентрацией ионов Na__H СГ, которых много в плазме, вода из плазмы начинает диффун­дировать в клетки крови, нарушая их нормальные функции.

Особенно чувствительны к СТ воды эритроциты, так как они не имеют способов противостоять данному виду транспорта. Благодаря этому введение больших количеств такого гипотонического раство­ра приводит к гемолизу (разрушению эритроцитов) из-за повышения в них осмотического давления под действием поступившей воды.

Введение лекарственных препаратов в гипертопическом раство­ре, содержащем более высокий уровень ионов или других веществ, чем в плазме крови, вызывает СТ воды в противоположном направ­лении - _из_ клеток в плазму. Следствием этого является уменьшение объема клеток (снижение осмотического давления в них) с соответ­ствующими нарушениями клеточных функций. Такая ситуация наблюдается и при гипергликемии (повышенной концентрации глюко­зы в_плазме крови), характерной для сахарного диабета.

Для избежания неблагоприятных последствий внутривенного введения препаратов необходимо использование изотонических рас­творов, осмотические параметры которых соответствуют таковым плазмы крови. На практике обычно используют 0.9% водный рас­твор хлорида натрия (NaCl) или 4,5-5% водный раствор глюкозы, которые называют физиологическим раствором.

Основным механизмом СТ молекул является высокая подвижность липидов в БЛС, которая обеспечивает молекулам небольшого размера возможность прохождения через гидрофобную фазу БЛС. Такая подвиж­ность мембранных липидов приводит к образованию в БЛС гидрофильных пор диаметром до 2 нм.

Гидрофильные поры являются динамичными структурами - постоян­но образуются и исчезают. В такой ситуации размер транспортируемых молекул становится очень важным параметром - чем мельче молекуда, тем больше вероятность и скорость ее прохождения через БЛС.

В ряду одноатомных первичных спиртов наибольшей прониающей способностью обладает метанол (СН₃ОН), меньшей - эта­нол (С₂Н₅ОН), слабой - пропанол (С₃Н₇ОН), а бутанол (С₄Н₉ОН) практически не подвержен СТ из-за достаточно крупного размера своих молекул. Вероятно, меньший размер молекулы метанола по сравнению с этанолом является одной из причин более тяжелых по­следствий метаноловой интоксикации отравления метанолом, чем этаноловои интоксикации (отравления этанолом), при употреблении этих веществ в качестве спиртных напитков.