Химия. Навчальний посібник для студентів біологічних спеціальностей вищих навчальних закладів
 Скачать 5.37 Mb.
|
|
68 новим лігандом. Прикладом такого процесу може слугувати транспорт материнських імуноглобулінів через епітеліоцити кишечнику новонаро- дженого. Материнські антитіла транспортуються в клітини молочної за- лози таз молоком потрапляють в організм дитини. Антитіла зв'язуються зі своїми рецепторами, сортуються в ранні ендосоми епітеліоцитів кишечнику й за допомогою трансцитозу проходять їх наскрізь у складі пухир- ців, що відокремились від ранніх ендосом. Ці транспортні пухирці злива- ються з плазмолемою на базолатеральній поверхні клітини, де рН на- ближається до нейтрального, це й спричинює від'єднання ліганду від рецептора та вивільнення в позаклітинний простір. Імуноглобуліни збира- ються в лімфатичні судини та потрапляють у кров новонародженого. Екзоцитоз. Екзоцитоз – протилежний ендоцитозу за напрямком про- цес виведення утворених клітиною макромолекулу позаклітинне сере- довище (секреція) за участю транспортних везикул. Клітинні механізми транспорту білків і злиття мембран, яке забезпечує процес секреції, од- накові для всіх видів організмів, від дріжджів до ссавців. Більшість клітин, залежно від їхньої структури та функції, продукують пептидні гормони, травневі ферменти, антитіла, білки сироватки, фактори росту та інші молекули, що секретуються. Наприклад, фібробласти секре- тують такі компоненти базальної мембрани, як колаген, ламінін і фібронек- тин. Згадані процеси забезпечуються шляхом конститутивної секреції: білки постійно переміщуються в оточенні мембранних пухирців від транс- сітки Гольджі (у самому апараті Гольджі призначені на експорт білки за- знають остаточної модифікації, а в спеціалізованій зоні органели вони ви- бірково пакуються в різні за призначенням транспортні пухирці, про що детально йтиметься в наступних розділах) до плазмолеми, з якою вони зливаються та вивільнюють свій вміст шляхом екзоцитозу в міжклітинний проміжок. Конститутивна секреціяє постійним процесом, що не вимагає зовнішніх для клітини сигналів (і не залежить від наявності іонів кальцію). В ендокринних і екзокринних клітинах, а також нейронах здійснюється регульована секреція. У цих клітинах білки накопичуються протягом де- кількох годин (днів) у великих за розміром гранулах (до 0,5 мкм у діаметрі), які накопичуються під плазмолемою. Ці гранули не зливаються з плазмо- лемою і не вивільнюють свій вміст, доки клітина не буде активована для екзоцитозу за допомогою зовнішніх стимулів, гормональних або нервових. Сигнальний стимул викликає тимчасовий приток іонів кальцію через плазматичну мембрану, що збільшує цитозольну концентрацію Са 2+ до 1 мкмоль/л. Це тимчасове збільшення концентрації Са 2+ активує інші внутрішньоклітинні ефекторні молекули, що призводить до злиття грану- лярної та клітинної мембран і вивільнення вмісту гранулу внутрішньоклі- тинний проміжок. Регульована секреція вимагає обов'язкової присутності іонів Са 2+ , а отже, зв'язування позаклітинного кальцію знижує стимульо- вану секрецію ендокринних клітин і нейронів. Слід підкреслити ще один важливий аспект, пов'язаний з процесами екзоцитозу – участь у формуванні транспортних пухирців спеціалізова- них білків, зокрема клатрину. Механізм утворення облямованих пухирців 69 є характерним на лише, навіть не стільки, для процесів секреції, як для ендоцитозу. Уже було розглянуто процес, за яким поглинання ліганд- рецепторних комплексів з поверхні плазматичної мембрани відбувається шляхом утворення облямованих ямок, які потім перетворюються на об- лямовані пухирці. Специфічні комплекси білка клатрину формують коши- коподібну структуру, в яку і втягується мембранний бішар. У випадку плазматичної мембрани (при ендоцитозі) позаклітинна речовина зв'язу- ється з поверхнею пухирця, що формується. Речовина ж із порожнини апарату Гольджі (при екзоцитозі), навпаки, втягується в пухирець, який формується на внутрішньоклітинній мембрані. Таким чином, вкриті клат- рином пухирці залучені до транспорту речовин від плазматичної мем- брани до ендосом і від апарату Гольджі до плазматичної мембрани. Клатрин є гексамером, який складається з трьох великих і трьох дріб- ніших поліпептидів. Така гексамерна структура, названа трискеліоном, і утворює кошикоподібну структуру, яка з'єднується з 5–6 іншими клатри- новими одиницями. Клатриновий "кошик", як показав електронномікроско- пічний аналіз, може мати пентагональну або гексагональну конфігурацію, однак залишається нез'ясованим, що ініціює його утворення. Відомо лише, що процес ендоцитозу супроводжується потовщенням мембрани в місцях його формування. Інвагінація мембрани в кошик формує мембранну ямку. Продовження групування молекул клатрину закінчується відщепленням від мембрани повністю облямованого пухирця, після чого клатриновий кошик руйнується. Припускають, що процес цього руйнування є енергоза- лежним і в його реалізації не останню роль відіграють іони Са 2+ Для реалізації цільового надходження відокремлених від донорної мембрани пухирців (але не їхнього довільного з'єднання з довільною мембраною) кожний пухирець має спеціальну рецепторну молекулу. Ак- цепторна ж (цільова) мембрана, усвою чергу, також має відповідний спеціальний рецептор. Для злиття мембрани пухирця з акцепторною мембраною необхідним є, крім цього, також спеціальний білок злиття – фузіонний білок. Він дестабілізує гідрофільні сили в місці взаємодії двох мембран. Коли дві мембранні поверхні наближуються одна до одної, гід- рофобний домен білка злиття направляє молекули води в різні боки й зов- нішні ліпідні шари зливаються один з одним. Те саме відбувається і при злитті внутрішніх шарів. Але незважаючи нате, що фузіонний білок ссавців ідентифіковано, фізико-хімічні аспекти мембранного злиття ще не з'ясовані. 3.4. Патологія плазматичної мембрани До патологічних змін плазмолеми структурного характеру відносять, по- перше, посилене везикулоутворення (посилений ендоцитоз – "мінус- мембрана"). Ця зміна, як правило, спричинена зростанням проникності пла- зматичної мембрани й призводить до дефіциту її поверхні. У деяких випад- ках при набряку клітини мікровезикули можуть мати переважно крайове роз- ташування на плазмолемі, що і є ознакою значного набухання клітини і, від- 70 повідно, її плазмолеми. У разі подальшого зростання набряку повністю ви- користовується "резерв" плазматичної мембрани, унаслідок чого порушу- ється її цілісність, що закінчується некрозом клітини. Крім того, за допомогою мікропіноцитозних везикул до клітини можуть потрапляти віруси. Протилежним щодо дії є збільшення поверхні плазмолеми ("+"- мембрана")за рахунок мембран мікропіноцитозних везикул, що є ознакою стрімкого набухання клітини. Загальна поверхня плазмолеми натягується і збільшується. Утворення мікроклазматозних виростів – мікроклазматоз і клаз- матоз – це відокремленням частини цитоплазми, оточеної плазматичною мембраною з наступним її розпадом і реутилізацією в позаклітинному середовищі. Клазматоз (гр. клазма – фрагмент) уперше описав ще в 1890 р. Ранв'є як явище, при якому вирости клітинної поверхні відри- ваються від поверхні й потрапляють у міжклітинний простір. Як мікрокла- змацитоз, так і клазмацитоз викликають різні фактори впливу на клітину (антигени, імунні комплекси, гіпоксія тощо). Потовщення структурних компонентівплазмолеми як результат порушення проникливості мембран. Однією з причин цієї патології є зменшення кількості іонів кальцію в міжклітинній рідині, що викликає змі- ни натрій-калієвого обміну, унаслідок чого в клітині накопичується рідина. Іншою причиною може бути зменшення кількості фосфоліпідів мембрани в результаті посилення дії фосфоліпаз. Утворення в плазмолемі широких мікропор. У нормі їхня ширина не перевищує 0,4–0,6 нм, тоді як при пошкодженні вона може досягати 9 нм, що призводить до ізоосмотичного набухання клітини, її перерозтя- гування і в подальшому – до розриву її мембрани. Локальні пошкодження плазматичної мембрани(до 1 мкм) мо- жуть бути пов'язані як з лізисом мембран, так і з пошкодженням фосфо- ліпідів Причиною цього може бути дія фосфоліпаз або вплив значної кі- лькості продуктів пероксидного окиснення ліпідів. Збільшення об'єму клітини за рахунок надходження великої кількості води у зв'язку з аномалією осмотичного тиску супроводжується появою щілин і навіть розривів у мембрані. Якщо останні не збільшуються, то щілини закриваються і зникають. Зміни рухливості мембран і форми клітин. Розрізняють два типи змін, які пов'язані з порушенням рухливості мембран випинання мем- брани назовні – екзотропія і в середину цитоплазми – езотропія. При екзотропії мембрана, що випинається в позаклітинний простір, утворює оточену мембраною структуру. При езотропії виникає порожнина, оточе- на мембраною. Іншими чинниками зміни форми клітин можуть бути спрощення клітинної поверхні (втрата малих відростків), деформації чи атрофії спеціалізованих структур (атрофія мікроворсинок ентероцитів при хворобах тонкої кишки з розвитком синдрому мальабсорбції). Отже, пошкодження плазмолеми призводять до розладу активного мембранного транспорту концентрація інтра- й екстрацелюлярного на 71 трію і калію вирівнюється, у клітину проникають низькомолекулярні аніо- ни, а потім і катіони, підвищується внутрішньоклітинний осмотичний тиск. Структурним виявом порушення водно-електролітного обміну є набу- хання й набряк клітини. Зміни активного мембранного транспорту можуть призвести також до вибіркового проникнення в клітину деяких продуктів обміну (білків, ліпідів, вуглеводів, пігментів) і накопичення їх після висна- ження ферментних систем, які мали б метаболізувати ці продукти. Так, розвиваються клітинні дистрофії інфільтраційного генезу (жирова дис- трофія гепатоцитів при гіперліпідеміях; гіаліново-крапельна дистрофія не- фроцитів при нефротичному синдромі). Інфільтрація – надмірне проник- нення продуктів обміну з крові з подальшим накопиченням. При значному пошкодженні плазмолеми та проникненні в клітину токсичних або біологічно активних речовин можлива деструкція структурних компонентів клітини з вивільненням хімічних речовин, які входять до їхнього складу (білків, ліпідів та ін.). Це веде до їхнього накопичення в клітині. У цих випадках виникають клітинні дистрофії декомпозиційного генезу (жирова дистрофія міокарда при дифтерії, гідропічна дистрофія гепатоцитів при вірусному гепатиті). Інфільтраційний механізм під час розвитку дистрофії може змінюватися декомпозиційним. В окремих випадках при пошкодженні плазмолеми в цитоплазму проникають речовини, які порушують синтез того чи іншого мета- боліту, унаслідок чого виникають різні види клітинних дистрофій. У разі значних пошкоджень плазмолеми настає некроз клітини (змертвіння, заги- бель клітин і тканин у живому організмі). Обмежене (локальне) пошкодження може бути відновлене, однак з деякою втратою мембрани (наприклад, в еритроцитах цей процес призводить до формування мікросфероцитів). Причинами пошкодження цитоплазматичної мембраниможуть бути, по-перше, дія фізичних і хімічних факторів (висока й низька температура, хімічні речовини тощо). Подруге, утворення вільних радикалів (дуже не- стабільних частинок з непарною кількістю електронів на зовнішній орбіті), які містять активований кисень, з наступною реакцією між ними й ліпіда- ми мембрани клітини (пероксидне окиснення ліпідів), у результаті чого вивільнюється надмірна енергія. По-третє, активація системи комплеме- нту. Комплемент – це система плазматичних білків (С1–С9), які існують у неактивній формі й становлять близько 10 % глобулінів крові. При акти- вації його кінцеві продукти, ймовірно комплекси C5b, С, С, С і С ви- являють фосфоліпазну активність, тобто можуть ферментативно пошко- джувати мембрану. Це явище (фіксація компліменту та його активація) – важливий компонент імунної відповіді, за якої знищуються клітини, розпі- знані як "чужі". По-четверте, лізис ферментами. Наприклад, панкреатичні ліпази, які з надлишком виділяються при гострому панкреатиті, і фермен- ти, які синтезуються Clostridium perfingens (один із збудників газової ганг- рени), викликають широкий некроз мембран. По-п'яте, лізис вірусами, який здійснюється як шляхом прямого вставлення цитопатичних вірусів у мембрану клітини, так і опосередковано – через імунну відповідь на вірусні антигени, які розташовані на поверхні інфікованих клітин. 72 ЗАПИТАННЯ ДЛЯ САМОПЕРЕВІРКИ 1. Який хімічний склад біологічних мембран 2. Який загальний принцип організації біологічних мембран 3. Дайте загальну характеристику мембранних ліпідів. 4. Назвіть властивості мембранних ліпідів. 5. Перерахуйте способи з'єднання білків з мембранами. 6. Чим відрізняються інтегральні та поверхневі білки клітинних мембран 7. Охарактеризуйте вуглеводний компонент біологічних мембран. 8. Яку роль виконують вуглеводи мембран 9. З чим повязана асиметрія біологічних мембран 10. У чому полягає суть визначення мембрани, як твердо-каркасно- рідинно-мозаїчної системи? 11. Назвіть функції біологічних мембран. 12. Які особливості хімічного складу плазмолеми? 13. Чим відрізняється плазмолема від ендоплазматичних мембран 14. Назвіть основні функції плазмолеми. 15. Як залежить жорсткість мембрани від її хімічного складу 16. Як зміняться властивості плазмолеми у разі зміни в ній кількості хо- лестеролу? Чому? 17. Як зміняться властивості плазмолеми при зміні в ній кількості фос- фоліпідів, до складу яких входять ненасичені жирні кислоти? Чому? 18. Як виглядає плазматична мембрана на електронограмі (збільшення 20000 і більше) при контрастуванні осмієвою кислотою Чим це зумовлено? 19. Що таке глікокалікс, де він розташований, чи є він обов'язковим компонентом усіх мембран, яка його хімічна природа, як він з'єднаний з білками й ліпідами плазмолеми? 20. Чим відрізняється пасивний і активний транспорт через біологічні мембрани? 21. За допомогою чого відбувається полегшена дифузія через клітинну мембрану 22. Ззовні клітини містяться іони, концентрація яких більша у внутріш- ньому середовищі клітини. Чи можуть вони проникнути в клітину? Якщо можуть, то яким чином 23. Перерахуйте іони, вміст яких у цитоплазмі в нормі більший, ніж у навколишньому середовищі й навпаки. 24. Яка відмінність між іонними каналами та іонними насосами 25. Чи потрібна енергія для виконання функції іонними каналами Від- повідь обґрунтуйте. 26. Чи потрібна енергія для виконання функції іонними насосами Від- повідь обґрунтуйте. 27. Типи ендоцитозу та їхнє фізіологічне значення. 28. Яким чином до клітини можуть надходити макромолекули? Опишіть ці процеси. 29. З чим повязана патологія плазматичних мембран 30. Які типи патології мембран ви знаєте? 73 Розділ 4 ЦИТОЗОЛЬ 4.1. Хімічний склад і головні функції цитозолю Цитоплазмою називають частину клітини, розташовану між плаз- молемою та ядром. Цитоплазма клітин різних типів може мати різний об'єм. При цьому у функціонально однорідних клітинах об'єм цитопла- зми, як правило, корелює зоб ємом ядра при збільшенні об'єму ядра збільшується і об'єм цитоплазми. Співвідношення між об'ємом ядра й об'ємом цитоплазми називають ядерно-цитоплазматичним співвід- ношенням і визначають як ЯЦС = ЯК Яде Я – об'єм ядра, К об'єм клітини. Уперше існування залежності об'єму цитоплазми від об'єму ядра було виявлено Р. Гертвігом у 1908 р. Ним же був запропонований принцип визначення ядерно-цитоплазматичного співвідношення. Цитоплазма є складною системою, до якої належать цитозоль, цито- скелет, органели і включення. Існування цитоплазми як системи та адек- ватні умовам довкілля її системні зміни є можливими лише в разі узго- дженого співіснування та скоординованої дії всіх її складових елементів. Цитозоль. Цитозоль, який називають також гіалоплазмою (від гр. hyalos – скло) – прозорою плазмою, клітинним матриксом або основною речовиною, становить близько 55 % від загального об'єму клітини. Він є складною колоїдною системою клітини, її справжнім внутрішнім сере- довищем. Саме в цитозолі здійснюються реакції проміжного обміну – комплексу хімічних реакцій, за допомогою яких клітина розщеплює одні малі органічні молекули й синтезує інші, які відіграють роль попередників макромолекул. Крім того, цитозоль здатний до так званих динамічних переходів, пов'язаних з відповідними до фізіологічних потреб клітини змінами агрегатних станів. Хімічний склад цитозолю. Для вивчення хімічного складу цитозолю застосовують біохімічні методи. Одержують гомогенат клітин, який шляхом диференційного центрифугування розділяють на фракції. Після оса- джування всіх важких компонентів клітини залишається рідина, яка і є рідинним компонентом цитоплазми – цитозолем. 74 Основною хімічною речовиною цитозолю є вода, кількість якої може змінюватись залежно від віку організму та функціонального стану клітин. В ембріональних клітинах кількість води може досягати 90 %, при старін- ні її кількість у клітинах може зменшуватись до 45–55 %. Близько 20 % цитозолю складають білки, здебільшого ферменти, які каталізують реак- ції проміжного обміну (тому цитозоль і називають системою проміжного обміну клітини). Крім ферментів, цитозоль містить білки, які зумовлюють процесинг (дозрівання) синтезованих білків, стресорні білки, а також шаперони, білки елементів цитоскелету (актин, тубулін) тощо. У цитозолі можуть накопичуватись ліпіди, в основному нейтральні жири, які утворюють краплиноподібні включення. Присутні також жирні кислоти та спирти. Вуглеводи представлені моно-, ди- й полісахаридами. Полісахариди (крохмаль у рослинних клітинах і глікоген у тваринних), як і нейтральні жири, утворюють включення. Цитозоль є місцем скоординованої "співпраці"і різних типів молекул РНК – інформаційних (іРНК), рибосомних (рРНК) і транспортних (тРНК), існуючих, як правило, у комплексі з білками. іРНК може формувати разом із специфічними білками невеликі гранули – інформосоми. Останні мо- жуть перебувати в цитозолі у вільному стані або бути зв'язаними з рибосомами. рРНК у цитозолі входить до складу субодиниць рибосом. Найі- мовірніше, що й тРНК утворює комплекси з білками. Так, комплекси такого типу були виявлені в яйцеклітинах амфібій під час овогенезу. У таких рибонуклеопротеїдних комплексах тРНК може зберігатися достатньо до- вго: як показано для амфібій – аж до стадії гаструляції ембріогенезу. На сьогоднішній день у цитозолі виявлені й невеличкі кільцеві молекули ДНК, так звані еукаріотичні плазміди. Механізм їхнього утворення та роль не в кожному випадку є зрозумілими, але незаперечним є той факт, що у великій кількості вони присутні в клітинах злоякісних пухлин, а також у бластомерах на ранніх стадіях ембріогенезу. Отже, у цитозолі наявні всі класи біополімерів, а також їхні мономери. Крім органічних сполук у цитозолі присутні різні неорганічні іони: (Na + , K + , H + , Ca 2+ , Cl – , HCO 3 – , HPO 4 2 – , H 2 PO 4 – , HSO 4 – ) тощо. Наявні також мікрое- лементи, необхідні для нормального функціонування клітини. Природно, що цитозоль має різний хімічний складу різних частинах клітини. Біохімічна організація цитозолю в ділянці розташування апарату Гольджі або мітохондрій буде специфічною і саме такою, що забезпечує функціонування цих органел. Можна вважати, що цитозоль є |