Ендоплазматичний ретикулум (ЕР)

Одним з найважливіших відкриттів, зроблених за допомогою електронного мікроскопа, було виявлення складної системи мембран, що пронизує цитоплазму всіх еукаріотичних клітин. Ця мережа мембран, що отримала назву ендоплазматичний ретикулум (лат. reticulum - мережа), дуже добре розвинена в клітині, але лежить за межами роздільної здатності світлового мікроскопа. Відразу ж було відзначено, що мембрани усіяні якимись дрібними частинками, які пізніше стали відомі під назвою «рибосом». Приблизно в той же час методом диференціального центрифугування була отримана клітинна фракція, здатна здійснювати синтез білка. Вивчення цієї фракції за допомогою електронного мікроскопа показало, що вона складається з безлічі дрібних мембранних мішечків (везикул), покритих зовні рибосомами, ці мембранні мішечки були названі мікросомами. Тепер ми знаємо, що поява мікросомної фракції - це результат процесу гомогенізації. Коли при гомогенізації ЕР розпадається на дрібні фрагменти, краї цих фрагментів змикаються і утворюються везикули. У інтактних клітинах мікросом немає.

На ультратонких зрізах ЕР має вигляд безлічі парних паралельних ліній (мембран), що розташовуються в цитоплазмі. Однак іноді зріз проходить так, що ми маємо можливість подивитися як би крізь поверхню мембран, і тоді можна бачити, що в трьох вимірах ЕР має не трубчасту, а пластинчасту будову. ЕР складається зі сплюснутих мембранних мішечків, званих цистернами. Цистерни ЕР можуть бути вкриті рибосомами, і тоді він називається шорстким (гранулярним) ЕР, якщо рибосоми відсутні, то його називають гладеньким (агранулярним) ЕР (будова ближче до трубчастого). Функція обох типів ЕР пов'язана з синтезом і транспортом речовин.

Функції гранулярного (шорсткого) ендоплазматичного ретикулума пов'язані з транспортом білків, синтезованих рибосомами на його поверхні. Зростаюча білкова молекула, тобто ланцюг з амінокислот, або так звана поліпептидний ланцюг, залишається приєднаною до рибосоми до тих пір, поки її синтез не завершиться. На початку синтезу білка першу частину зростання ланцюга може складати «сигнальна послідовність», відповідна по своїй конфігурації специфічного рецептора на мембрані ЕР і завдяки цьому забезпечує зв'язування рибосоми з ЕР. Рецептор утворює канал, по якому білок переходить в цистерни ЕР. Як тільки білок потрапить всередину, сигнальна послідовність відділяється від поліпептидного ланцюга, і білок, скручуючись, набуває в цистернах ЕР свою третинну структуру.

Транспортуючись потім по цистернам, білок зазвичай зазнає на своєму шляху досить істотні зміни. Він може, наприклад, фосфорилюватися або перетворюватися на глікопротеїн. Звичайний шлях для білка - це шлях через шорсткий ЕР в апарат Гольджі, звідки він або виходить з клітини назовні (секретується), або поступає в інші органели тієї ж клітини, наприклад в лізосоми або відкладається у вигляді запасних гранул.

Білок, що не має сигнальної послідовності, синтезується вільними рибосомами і виділяється в цитозоль для використання в цій же клітині.

Однією з головних функцій агранулярного (гладенького) ЕР є синтез ліпідів. Так, в епітелії кишковика гладенький ЕР синтезує ліпіди з жирних кислот і гліцеролу, всмоктуються у кишечнику, а потім передає їх в апарат Гольджі для експорту. Стероїди - це один з класів ліпідів, тому гладкий ЕР рясно представлений в тих клітинах, які секретують стероїдні гормони , наприклад у клітинах кори надниркових залоз. У печінці як шорсткий, так і гладенький ЕР беруть участь у процесах детоксикації.

Рибосоми

Рибосоми - це дуже дрібні органели (діаметром близько 20 нм). Число рибосом в цитоплазмі живих клітин дуже велике як у прокаріотів, так і у еукаріот. У звичайній бактеріальної клітині міститься, наприклад, до 10000 рибосом, а в еукаріотичних клітинах число їх у кілька разів більше. Рибосоми служать місцем білкового синтезу.

Кожна рибосома складається з двох субодиниць (субчастинок) - великої і малої. Через дрібні розміри рибосоми при диференціальному центрифугування седіментуються останніми серед усіх інших органел: рибосомну фракцію можна отримати лише після центрифугування при 100 000 g протягом 1-2 год. Досліди по седиментації виявили існування двох головних типів рибосом, які були названі 70S - і 80S – рибосомами. S (сведберг) - одиниця, що характеризує швидкість седиментації в центрифузі. Чим більше число S, тим вище швидкість седиментації. 70S - рибосоми виявляються у прокаріот, а трохи більші 80S - рибосоми в цитоплазмі еукаріотичних клітин. Цікаво відзначити, що в хлоропластах і мітохондріях містяться 70S - рибосоми, що вказує на якусь спорідненість цих еукаріотичних органел з прокаріотами.

Рибосоми складаються з приблизно рівних (за масою) кількостей РНК і білка (тобто являють собою рибонуклеопротеїнові частки). РНК, що входить до їх складу так звана рибосомна РНК (рРНК), синтезується в ядерці. Разом ті й інші утворюють складну тривимірну структуру, що має здатність до самозбирання.

Під час синтезу білка на рибосомах амінокислоти, з яких будується поліпептидний ланцюг, приєднуються до зростаючого ланцюга послідовно одна за одною. Рибосома служить місцем зв'язування для молекул, що беруть участь у синтезі, тобто таким місцем, де ці молекули можуть зайняти по відношенню один до одного певне визначене становище. У синтезі беруть участь: матрична РНК (мРНК), що несе генетичні інструкції від клітинного ядра, транспортна РНК (тРНК), що доставляє до рибосоми необхідні амінокислоти, і зростаючий поліпептидний ланцюг. Повинні також зайняти належне місце фактори, відповідальні за ініціацію, елонгацію і термінацію ланцюга. Весь процес в цілому настільки складний, що без рибосоми він не міг би йти ефективно (або не йшов би взагалі).

У еукаріотичних клітинах чітко видно дві популяції рибосом - вільні рибосоми і рибосоми, приєднані до ЕР. Будова тих і інших ідентично, але частина рибосом пов'язана з ЕР через білки, які вони синтезують. Такі білки зазвичай секретуються. Прикладом білка, синтезованого вільними рибосомами, може служити гемоглобін, що утворюється в молодих еритроцитах.

У процесі синтезу білка рибосома переміщається уздовж ниткоподібної молекули мРНК. Процес йде більш ефективно, коли вздовж мРНК переміщається не одна рибосома, а одночасно багато рибосом, що нагадують в цьому випадку намистини на нитці. Такі ланцюги рибосом називаються полірибосомами або полісомами. На ЕР полісоми виявляються у вигляді характерних завитків. Їх можна виділити в інтактному вигляді методом центрифугування.

Апарат Гольджі

Структуру, відому тепер як апарат Гольджі, вперше виявив в клітинах в 1898 р. Камілло Гольджі, що застосував у своїх спостереженнях особливу методику фарбування. Проте детально досліджувати її вдалося тільки за допомогою електронного мікроскопа. Апарат Гольджі міститься майже у всіх еукаріотичних клітинах і являє собою стопку сплющених мембранних мішечків, так званих цистерн, і пов'язану з ними систему бульбашок, званих бульбашками Гольджі. У рослинних клітинах виявляється ряд окремих стопок, званих діктіосоми. У тваринних клітинах частіше можна зустріти одну велику стопку. Тривимірну структуру апарату Гольджі важко виявити при вивченні ультратонких зрізів, однак спостереження із застосуванням негативного фарбування дозволяють припустити, що навколо центральної стопки формується складна система взаємопов'язаних трубочок.

На одному кінці стопки постійно утворюються нові цистерни шляхом злиття бульбашок, які відокремлюються, ймовірно, від гладенького ЕР. Цей «зовнішній», або той що формується, бік стопки опуклий, тоді як інший, «внутрішній», де завершується дозрівання і де цистерни знову розпадаються на бульбашки, має увігнуту форму. Стопка складається з багатьох цистерн, які, як вважають, поступово переміщаються від зовнішньої сторони до внутрішньої.

Функцію апарату Гольджі складають транспорт речовин і хімічна модифікація клітинних продуктів, що надходять до нього. Функція ця особливо важлива і помітна в секреторних клітинах, хорошим прикладом яких можуть служити ацинарні клітини підшлункової залози. Ці клітини секретують травні ферменти панкреатичного соку в вивідний проток залози, через який вони надходять у дванадцятипалу кишку.

Окремі етапи цього шляху виявляють за допомогою радіоактивно мічених амінокислот, простежуючи їх включення в білки, а потім пересування по різним клітинним органеллам. Для цього зразки тканини гомогенізують через різні проміжки часу після введення амінокислот, поділяють клітинні органели центрифугуванням і з'ясовують, в яких органелах частка цих амінокислот є найвищою. Після концентрування в апараті Гольджі білок в бульбашках Гольджі переноситься до плазматичної мембрани. Кінцевим етапом є секреція неактивного ферменту за допомогою процесу, зворотного піноцитозу.

Травні ферменти, що виділяються підшлунковою залозою, синтезуються в неактивній формі, щоб вони не могли руйнувати клітини, в яких вони утворюються. Фермент в неактивній формі називається проферментом або зімогеном. Прикладом може слугувати трипсиноген, що перетворюється на активний трипсин у дванадцятипалій кишці.

Зазвичай у білків, що надходять в апарат Гольджі з ЕР, є короткі олігосахаридні ланцюги, тобто вони представляють собою глікопротеїни (подібно мембранним білкам). Такі вуглеводні «антени» в апараті Гольджі можуть зазнавати модифікацію, що перетворює їх у маркери, за допомогою яких білок направляється строго за своїм призначенням. Однак, яким чином апарат Гольджі сортує і розподіляє молекули, в точності не відомо. Приєднання глікозильних груп до білків, внаслідок чого виникають глікопротеїни, носить назву глІкозилювання; глікозилюванням супроводжується утворення багатьох білків.

Апарат Гольджі бере участь іноді і в секреції вуглеводів, наприклад при синтезі матеріалу клітинних стінок у рослин. Він має посилену активності в області «клітинної перетинки», тобто в тій області, де після поділу ядра (мітозу чи мейозу) між двома дочірніми ядрами які щойно утворилися закладається нова клітинна стінка.

Пухирці Гольджі направляються до потрібного місця на клітинній перетинці за допомогою мікротрубочок і тут зливаються. Їх мембрани стають частиною нових плазматичних мембран дочірніх клітин, а їх вміст використовується для побудови серединної пластинки і нових клітинних стінок. Методом радіоавтографії було показано, що радіоактивно мічена глюкоза, поглинута рослинними клітинами що діляться, спочатку з'являється в апараті Гольджі, а пізніше (в бульбашках Гольджі) включається в полісахариди, які призначені для побудови клітинних стінок. Мабуть, це полісахариди матриксу клітинних стінок, а не целюлоза, яка в бульбашках Гольджі не синтезується.

Два розглянутих нами приклада - секреторна активність ацинарних клітин підшлункової залози і утворення нових клітинних стінок в клітинах що діляться - показують, яким чином більшість клітинних органел можуть об'єднуватися для виконання якої-небудь однієї функції.

Апаратом Гольджі секретується важливий глікопротеїн муцин, в розчині утворює слиз. Він виділяється бокалоподібними клітинами, що знаходяться в товщі епітелію слизової оболонки кишечника і дихальних шляхів. У клітинах кінчика кореня є апарат Гольджі, який секретує багату мукополісахаридами слиз, яка змочує кінчик кореня і полегшує його проникнення в грунт. У залозах листя комахоїдних рослин – росянки (Drosera) і жирянки (Pinguicula) - апарат Гольджі секретує клейкий слиз і ферменти, за допомогою яких ці рослини ловлять і перетравлюють здобич. У багатьох клітинах апарат Гольджі бере участь у секреції слизу, воску, камеді і рослинного клею.

Іноді апарат Гольджі бере участь і в транспорті ліпідів. При перетравленні ліпіди розщеплюються і всмоктуються в тонкому кишечнику у вигляді жирних кислот і гліцеролу. Потім в гладенькому ЕР ліпідами ресинтезуються. Вони покриваються білковою оболонкою і через апарат Гольджі транспортуються до плазматичної мембрани, де їм належить покинути клітину. Пройшовши через плазматичну мембрану, вони надходять переважно в лімфатичну систему. Крім перерахованих вище функцій, пов'язаних із секрецією білків, глікопротеїнів, вуглеводів і ліпідів, апарат Гольджі виконує ще одну функцію - у ньому формуються лізосоми.

Лізосоми

Лізосоми (від lysis - розщеплення і soma - тіло) виявляються у більшості еукаріотичних клітин, але особливо багато їх у тих тваринних клітинах, які мають здатність до фагоцитозу. Вони являють собою прості мембранні мішечки (стінка мішечка складається з одинарної мембрани), наповнені гідролітичними (травними) ферментами - протеазами, нуклеазами, ліпазами і кислими фосфатазами.

Вміст лізосом має кислу реакцію, і для лізосомних ферментів характерний низький оптимум рН. Ці ферменти мають бути ізольовані від всіх інших клітинних компонентів і структур, інакше вони їх зруйнують. У тваринних клітинах лізосоми зазвичай мають округлу форму і діаметр від 0,2 до 0,5 мкм. Характерний вид лізосом на електронних мікрофотографіях - вони представляються гомогенними.

У рослинних клітинах роль лізосом можуть грати великі центральні вакуолі. Втім, іноді в цитоплазмі, особливо в тих, клітинах що гинуть, бувають видно тільця, що нагадують за своїм виглядом лізосоми клітин тварин.

Ферменти, що знаходяться в лізосомах, синтезуються на шорсткому ЕР і транспортуються до апарату Гольджі. Пізніше від нього відокремлюються бульбашки Гольджі, що містять ферменти, які зазнали необхідних перетворень. Такі бульбашки називаються первинними лізосомами. Вони виконують ряд функцій, пов'язаних головним чином з внутрішньоклітинним переварюванням, але іноді і з секрецією травних ферментів.

Мітохондрії

Мітохондрії містяться у всіх аеробних еукаріотичних клітинах. Головну функцію мітохондрій становить аеробне дихання.

Ці органели - головне місце аеробного дихальної активності клітини. Вперше спостерігав мітохондрії у вигляді гранул в м'язових клітинах Кйоллікер в 1850 р. Пізніше, в 1898 р, Міхаеліс показав, що вони відіграють важливу роль в диханні: в його дослідах мітохондрії викликали зміни кольору окисно-відновних індикаторів.

Число мітохондрій в клітині дуже мінливо; воно залежить від виду організму і від природи клітини. У клітинах, в яких потреба в енергії велика, міститься багато мітохондрій (в одній печінковій клітині, наприклад, їх може бути близько 1000). У менш активних клітинах мітохондрій значно менше. Надзвичайно сильно варіюють також розміри і форма мітохондрій. Мітохондрії можуть бути спіральними, округлими, витягнутими, чашоподібними і навіть розгалуженими; в більш активних клітинах вони зазвичай крупніше. Довжина мітохондрій коливається в межах 1,5-10 мкм, а ширина - в межах 0,25-1,00 мкм.

Мітохондрії здатні змінювати свою форму, а деякі можуть також переміщатися в особливо активні ділянки клітини. Таке переміщення (якому сприяє струм цитоплазми - циклоз) дозволяє клітині зосереджувати більше число мітохондрій в тих місцях, де вище потреба в АТФ. В інших випадках положення мітохондрій більш постійне (як, наприклад, в літальних м'язах комах).

Мітохондрії можна виділити з клітин у вигляді чистої фракції за допомогою гомогенізатора і ультрацентрифуги. Після цього їх можна досліджувати в електронному мікроскопі, використовуючи для цієї мети різні методики, такі, як виготовлення зрізів і негативний контраст. Кожна мітохондрія оточена двома мембранами; зовнішню мембрану відокремлює від внутрішньої відстань в 6-10 нм. Внутрішня мембрана містить в собі напівжорсткий матрикс мітохондрії; ця мембрана утворює численні гребінеподібні складки (перетинки), так звані крісти.

Обробляючи мітохондрії ультразвуком і детергентами, можна відокремити зовнішню мембрану від внутрішньої, що дозволяє вивчати структуру і функції кожної з них окремо. Проте навіть і за допомогою такої методики поки ще мало що вдалося дізнатися про зовнішню мітохондріальну мембрану. Вважають, що вона проникна для речовин з молекулярною масою менше 21000 і що такі речовини через неї дифундують. Крісти внутрішньої мембрани істотно збільшують її поверхню, забезпечуючи місце для розміщення мультиферментних систем і полегшуючи доступ до ферментів, які знаходяться в мітохондріальному матриксі.

Внутрішня мембрана відрізняється вибірковою проникністю, тобто пропускає лише певні речовини. Відомо, що активний транспорт АДФ і АТФ через внутрішню мітохондріальну мембрану здійснюють особливі ферменти, так звані транслокази.

Метод негативного контрастування, при якому пофарбованими виявляються не самі структури, а простір навколо них, дозволив виявити присутність особливих ”елементарних частинок” на тій стороні внутрішньої мітохондріальної мембрани, яка звернена до матриксу. Кожна така частинка складається з головки, ніжки і основи. Хоча мікрофотографії свідчать, здавалося б, про те, що елементарні частинки виступають з мембрани в матрикс, вважається, що це артефакт, обумовлений самою процедурою приготування препарату, і що насправді вони повністю занурені в мембрану. Головки частинок відповідальні за синтез АТФ. Це АТФаза (раніше позначалася F₁), що забезпечує зв’язок фосфорилювання АДФ з реакціями в дихальному ланцюзі. У основі частинок, заповнюючи собою всю товщу мембрани, розташовуються компоненти самого дихального ланцюга. Вони розміщені по відношенню один до одного строго впорядкованим чином. У мітохондріальному матриксі міститься значна частина ферментів, що приймають участь в циклі Кребса і в окислюванні жирних кислот. Тут ще знаходяться мітохондріальні ДНК, РНК і рибосоми, а також низка різних не дуже великих білків.

Еволюція мітохондрій: ендосимбіотична гіпотеза. Мітохондріальна ДНК несе інформацію для синтезу приблизно 30 білків. Цього, однак, недостатньо, оскільки для побудови нової мітохондрії потрібна більша кількість білків. В якійсь мірі, отже, утворення нових мітохондрій повинно залежати від ядерної ДНК, від цитоплазматичних ферментів і від деяких інших молекул, що поставляються клітиною.

Існує гіпотеза, згідно з якою мітохондрії були колись вільноживучими прокаріотичними організмами, на зразок бактерій. Ці прокаріоти, випадково проникнувши в клітину, вступили потім з цією клітиною-господарем у взаємовигідний симбіоз. Мабуть, умови всередині клітини виявилися сприятливими для прокаріотів, в обмін ж прокаріоти своєю присутністю різко підвищили «продуктивність» клітини в сенсі синтезу АТФ і надали їй здатність до аеробного дихання. На користь цієї гіпотези свідчить ряд даних. По-перше, мітохондріальна ДНК представлена зазвичай кільцевою молекулою (плазмідою), а саме таку ДНК ми знаходимо у сучасних бактерій. По-друге, мітохондріальні рибосоми менше цитоплазматичних і подібні за своїми розмірами до бактеріальних. По-третє, рух мітохондрій нагадує рухи деяких бактерій. І нарешті, зазначено, що механізми білкового синтезу у мітохондрій і бактерій, з одного боку, і в цитоплазмі з іншого, чутливі до різних антибіотиків. Наприклад, стрептоміцин пригнічують синтез білка в мітохондріях і у бактерій, а циклогексимид блокує синтез білка в цитоплазмі.

Поиск по сайту: