Биология

Органеллы и включения цитоплазмы

В цитоплазме находятся органеллы и включения. Органеллы – это постоянные высокодифференцированные внутриклеточные образования, выполняющие определенные функции. Они имеют мембранный и немембранный принцип строения.

Классификация органелл

1. Органеллы общего значения: эндоплазматический ретикулум, рибосомы, митохондрии, комплекс Гольджи, лизосомы, центросомы, пластиды.

2. Органеллы специального значения: реснички, жгутики, миофибриллы, нейрофибриллы.

Органеллы общего значения

Эндоплазматический ретикулум (ЭР). Разветвленная внутриклеточная структура, представленная системой субмикроскопических канальцев с расширениями-цистернами. Они ограничены мембранами, несущими многочисленные ферменты. Мембраны ЭР составляют более половины массы всех мембран клетки. Существует два типа ЭР. Гранулярный ЭР, мембраны которого содержат рибосомы. Рибосомы – это ультрамикроскопические, сферические гранулы, состоящие из двух половинок – большой и малой субъединиц, а также рибосомальной РНК. Главное назначение их – участие в синтезе белка (рис. 8).

Рис. 8. Строение рибосом у эукариот.

Гладкий ЭР несет мембраны, лишенные рибосом. Здесь происходит синтез липидов и углеводов. ЭР объединен с ядром клетки, поскольку наружная мембрана ядра непосредственно переходит в мембраны ЭР. Гладкий и гранулярный ЭР связаны друг с другом, но отличаются по составу содержащихся в них белков. Все белки, подлежащие выведению из клетки, проходят путь от рибосом в полость ЭР, оттуда в аппарат Гольджи, а затем в секреторные везикулы (пузырьки), которые выводятся из клетки. Белки, предназначенные для внутриклеточных нужд, используются митохондриями или другими органеллами и никогда не поступают в ЭР (рис. 9).

Рис. 9. Взаимодействие ЭПС с другими органеллами.

Липопротеиды, входящие в состав мембран ЭР, очевидно, аналогичны тем, что входят в состав наружной клеточной мембраны. Обе мембраны могут соединяться и тогда ЭР открывается наружу клетки, в частности, это происходит в случаях клеточной секреции. С другой стороны, удается рассмотреть тот момент, когда субстанции, проникающие в клетку, появляются в ЭР, при этом они, как правило, направляются к лизосомам. Следовательно, ЭР оберегает клетку от вторжения в нее инородных субстанций. В то же время, ЭР может являться пристанищем для некоторых вирусов, в частности ретровирусов. В условиях патологии наблюдается два вида морфологических изменений – гиперплазия и атрофия эндоплазматического ретикулума.

С эндоплазматическим ретикулумом нередко связаны пероксисомы или микротельца. Они имеют округлые очертания, окружены одинарной мембраной, диаметр их не более 1,5 мкм. Содержат фермент пероксидазу, катализирующий расщепление пероксида водорода на воду и кислород. Уменьшение числа пероксисом и снижение синтеза их ферментов наблюдается в печени при воспалении, а также при опухолевом росте.

Митохондрии. В конце позапрошлого века в цитоплазме различных клеток были выявлены нитевидные и гранулярные структуры. Ученый Бенда назвал их митохондрии, от греческого «митос» – нить и «хондрос» – зерно. Величина этих органелл 0,5—5,0 мкм. Количество может варьировать от нескольких единиц до десятков тысяч. Как показала электронная микроскопия, митохондрии имеют наружную и внутреннюю мембрану. Наружная мембрана напоминает сито, проницаемое для небольших молекул массой менее 10000 Да. Промежуток между наружной и внутренней мембраной называют межмембранным пространством. Внутренняя мембрана образует многочисленные складки, кристы, в виде гребней, вдающихся во внутреннюю полость, называемую матрикс (рис. 10). Кристы значительно увеличивают общую площадь митохондриальных мембран, что определяет высокую функциональную активность.

Рис. 10. Ультраструктурная организация митохондрии.

На кристах содержатся комплексы дыхательных ферментов, необходимые для окислительного фосфорилирования. Результатом его является образование АТФ и выделение большого количества энергии, необходимой для жизнедеятельности клеток. Митохондрии содержат цитоплазматическую ДНК, отличную от ДНК ядра.

Комплекс Гольджи. Указанная органелла названа именем итальянца Карелло Гольджи, открывшего ее в 1896 г. В световом микроскопе структура имеет вид сетки, лежащей вблизи ядра. По данным электронной микроскопии комплекс состоит из диктиосом. Каждая диктиосома представляет стопку плоских мешочков-цистерн диаметром около 7 мкм. Число цистерн в одной диктиосоме 5—7. От краев цистерн отделяются микропузырьки. Вся структура имеет полярный характер, поскольку в диктиосоме два полюса – формирующий у основания и секретирующий у вершины. Основная функция комплекса Гольджи заключается в накоплении и конденсации продуктов, синтезируемых эндоплазматическим ретикулумом (рис. 11). Образно говоря, здесь происходит упаковка сложных химических соединений в виде пузырьков, гранул, зерен, которые затем выводятся из клетки. Величина аппарата Гольджи связана с синтетической активностью клетки и обусловлена либо уровнем наружной секреции, например, в печени или поджелудочной железе, либо интенсивностью синтеза, необходимой для жизнедеятельности самой клетки, например, в нейронах.

Рис. 11. Схема строения аппарата Гольджи.

Лизосомы. В названии данной органеллы биохимик Де Дюву объединил два греческих слова: «лизис» – растворение и «сома» – тело. Лизосомы представляют сферические частицы размерами 0,5—2,0 мкм (рис. 12). Они имеют плотную липопротеиновую мембрану и содержат большой набор гидролитических ферментов, необходимых для процессов внутриклеточного пищеварения. На это указывает высокое содержание лизосом в клетках-фагоцитах, а также присутствие лизосомальных ферментов во внутриклеточных пищеварительных вакуолях. Другой важной функцией лизосом является аутолиз – посмертное растворение структурных компонентов клетки под действием все тех же ферментов лизосом. Как выразился Де Дюву – это «маленькие могильщики», освобождающие ткани от мертвых клеток.

Рис. 12. Схема строения и функции лизосом.

В лизосомах могут отсутствовать некоторые энзимы, необходимые для нормального метаболизма клеток. Энзимопатия или дисметаболическая болезнь имеет врожденный характер и наследуется по аутосомно-рецессивному типу. Дефицит энзимов наблюдается наиболее часто при гликогенозах (болезнь Помпе, болезнь Гирке), липидозах (недостаточность липаз адипозоцитов), гепатозах (болезнь Дабина-Джонсона). Эти состояния иногда называют «болезнями накопления». В реальной действительности речь идет не об избыточном образовании различных субстанций, а о замедлении или остановке разрушения их метаболитов при нормальном синтезе.

Центросома. Открыл эту структуру голландский ученый Ван-Бенеден, в 1876 г., но название предложил цитолог Бовери, опять-таки, используя греческую терминологию: «центрум» – центр и «сома» – тело. Типичная центросома представлена двумя центриолями, соединенными перемычкой – центродесмосомой и окруженной «лучистой» сферой – астросферой. При электронной микроскопии центриоли имеют вид цилиндра, стенки каждого образованы микротрубочками. Центросома обеспечивает процесс митоза, формируя митотическии аппарат клетки (рис. 13).

Рис. 13. Схема организации центросомы по данным электронной микроскопии.

Органеллы специального значения

Реснички и жгутики. Эти органоиды встречаются у одноклеточных организмов (бактерии, простейшие) и у клеток в составе тканей (клетки эпителия трахеи). Реснички и жгутики представляют тончайшие подвижные выросты цитоплазмы, в которых находятся ультратонкие фибриллы, содержащие белок с сократительной функцией (рис. 14). Они отражают элементы движения. Существуют генетические аномалии строения ресничек. Например, врожденный синдром неподвижных ресничек (синдром Картагенера) характеризуется тем, что реснички покровного эпителия дыхательных путей и слизистой оболочки среднего уха неподвижны или малоподвижны. Поэтому мукоцилиарный транспорт резко ослаблен или отсутствует, что ведет к хроническому воспалению дыхательных путей и среднего уха. У таких больных неподвижны также сперматозоиды, так как их хвост эквивалентен ресничкам.

Рис. 14. Схема строения жгутика.

Миофибриллы. Характерны для мышечных клеток. Состоят из элементарных ультратонких нитей протофибрилл. Описано два типа миофибрилл – гладкие и поперечнополосатые. Последние содержат систему светлых (изотропных) и темных (анизотропных) дисков. Выполняют сократительную функцию.

Нейрофибриллы. Являются обязательным компонентом многих нервных клеток и их отростков. Они могут быть очень тонкими гладкими однородными нитями (нейропротофибриллы) или более толстыми трубчатыми элементам, имеют опорное значение в связи с наличием в нервных клетках отростков большой протяженности.

Включения – непостоянные структурные компоненты клетки, возникающие в результате внутриклеточного метаболизма или других процессов жизнедеятельности клетки. Исходя из особенностей субстрата, различают жидкие включения – вакуоли и плотные включения – гранулы, кристаллы. Обе группы включений могут нести на своей поверхности ограничивающие их тонкие липопротеиновые мембраны.

В функциональном отношении все включения подразделяются на три группы: трофические, секреторные и специальные.

Трофические включения отражают повседневный метаболизм клетки. Они представлены гранулами гликогена, белковыми зернами, каплями жира. В ходе внутриклеточного обмена включения этой группы утилизируются и входят в состав цитоплазмы. Особую группу трофических включений составляют продукты экскреции (распада), подлежащие выведению из клетки: желчные пигменты, мочевина и др.

Секреторные включения характерны, в основном, для железистых клеток. Значение их очень велико, так как сюда относятся некоторые ферменты и гормоны.

Специальные включения присутствуют в высокоспециализированных клетках. К этой группе относят гранулы пигмента меланина, плотно заполняющего цитоплазму меланоцитов – особых клеток кожи с защитной функцией. Диффузное состояние специальных включений выражает гемоглобин, находящиеся в клетках крови – эритроцитах. Включения могут характеризовать патологическое состояние клетки и быть предвестниками ее гибели (появление слизистых конгломератов в клетках кости или хряща).

Таким образом, приведенные выше данные указывают, что внутриклеточные компоненты имеют мембранныйи немембранныйпринцип организации. Мембранные структуры можно подразделить на одномембранные и двумембранные. Одномембранные компоненты имеют вид каналов, цистерн, пузырьков, ограниченных одной мембраной и тесно взаимосвязанных. Эти пузырьки иногда называют «вакуолярной системой», хотя данное определение недостаточно точно. Сюда можно отнести: а) эндоплазматический ретикулум; б) комплекс Гольджи; в) лизосомы; г) вакуоли у растительных клеток и некоторых простейших.

Двумембранные компоненты – это митохондрии и пластиды. Наружная мембрана их всегда гладкая, внутренняя образует выросты, имеющие важное функциональное значение. Систему двойных мембран имеет также ядро – центральный аппарат клетки. Ядерные мембраны содержат поры.

Немембранные структуры клетки немногочисленны и в той или иной мере связаны с системой мембран. В число их входят: а) рибосомы, состоящие из двух субъединиц; б) центросома, локализованная вблизи ядра: в) органеллы движения клеток – жгутики; реснички, миофибриллы; г) разнообразные клеточные включения.

Обмен веществ и превращение энергии в клетке

Клетка — это открытая система. В ней непрерывно происходит обмен веществ. Он включает поступление в клетку неорганических и органических соединений, их превращения и выведение из клетки. Тем самым, обмен веществ имеет две стороны: пластический обмен (ассимиляция) и энергетический обмен (диссимиляция).

Универсальный источник энергии клетки — АТФ

Для того чтобы существовать и выполнять определенные функции клетка нуждается в энергии. Энергия, приобретаемая клеткой, сохраняется в полезной форме, главным образом в виде молекул аденозинтрифосфата – АТФ (аденозинтрифосфорная кислота). Молекула АТФ является нуклеотидом, так как состоит из азотистого основания – аденина, сахара рибозы и трех фосфатных групп (остатки фосфорной кислоты). АТФ – это макроэргическое соединение поскольку в двух фосфатных связях накапливается большое количество энергии. Химические связи, которыми соединены молекулы фосфорной кислоты неустойчивы. Под действием фермента АТФ-азы в ходе гидролиза (присоединения воды) один богатый энергией остаток фосфорной кислоты отщепляется от молекулы АТФ с образованием аденозиндифосфата АДФ и выделением энергии в количестве около 40 кДж/моль. Указанный процесс называется дефосфорилированием. Обратное явление, переход АДФ в АТФ путем присоединения неорганического фосфата — фосфорилированием.

Пластический обмен. Биосинтез белка

Информационное обеспечение процессов синтеза. Живая клетка содержит тысячи различных белков. Более того, каждый вид клеток имеет свои специфические белки. Эти белки клетка обязана синтезировать, передать потомкам и воспроизвести затем в ряду поколений. Следовательно, любая клетка должна обладать биологической памятью. Биологическая память – это хранение и передача клеткой генетической информации. Обеспечивают ее нуклеиновые кислоты.

Нуклеиновые кислоты

Нуклеиновые кислоты открыты еще в позапрошлом веке швейцарским ученым Ф. Мишером (1868 г.). Первые экспериментальные данные о значении нуклеиновых кислот в механизмах наследственности были получены группой микробиологов, возглавляемой О. Эвери в 1944 г. Ученые работали с двумя близкими видами бактерий, вызывающих воспаление легких. Один вид имел хорошо выраженную полисахаридную капсулу, другой нет. Выделив нуклеиновую кислоту, ДНК от бактерий с капсулами и обработав ею бескапсульные микроорганизмы, исследователи получили в потомстве последних как капсульные, так и бескапсульные формы. Это указывало на хранение информации о наличии капсулы именно в молекуле ДНК. В дальнейшем было представлено огромное количество фактов, подтверждающих это открытие.

Существует два класса нуклеиновых кислот:

ДНК — дезоксирибонуклеиновые кислоты. РНК – рибонуклеиновые кислоты.

ДНК локализована в ядрах, митохондриях и пластидах клеток. РНК входит в состав ядрышек, рибосом и присутствует в цитоплазме клеток. По своей химической структуре ДНК и РНК — это крупные молекулы биополимеров. Они складываются из мономеров – нуклеотидов. Каждый нуклеотид включает три компонента: полисахарид, азотистое основание, фосфат (остаток фосфорной кислоты) (рис. 15).

Рис. 15. Структура строения ДНК и РНК.

В состав нуклеотида молекулы ДНК входят углевод – дезоксирибоза (пентоза), остаток фосфорной кислоты и одно из четырех имеющихся азотистых оснований. Азотистые основания пуриновые – аденин (А), гуанин (Г) и пиримидиновые – цитозин (Ц), тимин (Т).

По правилу Чаргаффа общее количество пуриновых оснований в молекуле ДНК равно количеству пиримидиновых оснований: пуриновые А + Г = Ц + Т пиримидиновые

В 1953 г. Д. Уотсон и Ф. Крик, используя кристаллографический анализ, построили модель пространственной структуры молекулы ДНК, за что были удостоены Нобелевской премии. Основные положения этой модели следующие: