ПОВЕРХНОСТНЫЙ АППАРАТ КЛЕТКИ

Снаружи любой клетки формируется поверхностный аппарат, включающий цитоплазматическую мембрану, надмембранный комплекс и субмембранные структуры.

Надмембранный комплекс. Наружная клеточная мембрана животных клеток покрыта слоем олигосахаридных цепей. Это углеводное покрытие мембраны называют гликокаликсом. Он выполняет рецепторную функцию.

У растительных клеток поверх наружной клеточной мембраны располагается плотный целлюлозный слой с порами, через которые осуществляется связь между соседними клетками посредством цитоплазматических мостиков.

У клеток грибов поверх плазмалеммы – плотный слой хитина.

У бактерий – муреина.

Надмембранный комплекс животной клетки (гликокаликс)создает необходимое для клетки микроокружение, является местом, где находятся внеклеточные ферменты, выполняет рецепторную функцию и т.д. Однако клетки растений, грибов и прокариот отличаются от животных клеток тем, что их клеточная оболочка выполняет каркасную, защитную и важнейшую функцию – осморегуляции.

Кроме того, у многих бактерий и некоторых растительных клеток снаружи клеточной стенки формируется слизистая капсула, которая надежно защищает клетку от чрезмерной потери влаги, резкого перепада температур и других неблагоприятных факторов окружающей среды. Сравнительная характеристика поверхностных аппаратов (ПАК) прокариотических и различных эукариотических клеток приведена в таблице 2.

Таблица 2

ПОВЕРХНОСТНЫЙ АППАРАТ КЛЕТКИ

ЦИТОПЛАЗМА

Цитоплазма (греч. citos – клетка, plazma – вылепленная) – это внутренняя среда клетки. Включает гиалоплазму, цитоскелет, органоиды и включения.

❇ Гиалоплазма (матрикс) заполняет пространство между плазмалеммой, ядерной оболочкой и другими внутриклеточными структурами. Это тонкозернистое, полупрозрачное, вязкое, студенистое вещество цитоплазмы.

Химический состав. Гиалоплазма – это коллоидный раствор с высоким содержанием воды и белков. Гиалоплазма способна переходить из золеобразного (жидкого) состояния в гелеобразное. Состав гиалоплазмы определяет осмотические свойства клетки.

Н₂О 70 – 75%,

белки 10 – 20%,

липиды 1 – 5%,

углеводы 0,2 – 2%,

нуклеиновые кислоты 1 – 2%,

минеральные соединения 1 – 1,5%,

АТФ и другие низкомолекулярные органические вещества 0,1 – 0,5%.

Функции: 1) транспортная: обеспечивает перемещение веществ в клетке;

2) обменная: является средой для протекания химических реакций внутри клетки;

3) собственно внутренняя среда клетки, в которую погружены все другие компоненты цитоплазмы и ядро.

❇ Органоиды– это постоянные структуры цитоплазмы, выполняющие в клетке определенные функции. Исходя из мембранного принципа строения и функциональной принадлежности, все органоиды клетки делятся на две большие группы: органоиды общего и специального назначения.

Органоиды специального значения присутствуют у простейших (органоиды движения – ложноножки, реснички, жгутики), органоид осморегуляции – сократительная вакуоль, органоиды защиты и нападения – трихоцисты, светочувствительный глазок – стигма) и в специализированных клетках многоклеточных организмов (реснички, жгутики, микроворсинки).

Органоиды общего значения встречаются абсолютно во всех эукариотических клетках и подразделяются на немембранные и мембранные.

К немембранным органоидам клетки общего значения относятся рибосомы, клеточный центр (центросома), микротрубочки, микрофиламенты и промежуточные филаменты (микрофибриллы).

Мембранные органоиды могут быть одно- и двумембранные.

Одномембранный принцип строения имеют эндоплазматическая сеть (ЭПС), комплекс Гольджи, лизосомы, пероксисомы и растительные вакуоли. Одномембранные органоиды клетки объединяются в вакуолярную систему, компоненты которой представляют собой отдельные или связанные друг с другом отсеки, распределенные закономерным образом в гиалоплазме. Так, различные вакуоли (вакуоли растительных клеток, пероксисомы, сферосомы и др.) возникают из пузырьков эндоплазматического ретикулума, в то время как лизосомы – из пузырьков вакуолярного комплекса аппарата Гольджи.

Двумембранными органоидами клетки являются митохондрии и пластиды (лейкопласты, хлоропласты и хромопласты).

Таким образом, все мембранные элементы цитоплазмы представляют собой замкнутые, закрытые объемные зоны, отличные по составу, свойствам и функциям от гиалоплазмы. Для их описания часто употребляют термин «компартмент» – купе.

ЭНДОПЛАЗМАТИЧЕСКАЯ СЕТЬ (РЕТИКУЛУМ)

Органоид общего значения, имеющий одномембранный принцип строения. В 1945году К.Портер с сотрудниками увидел в электронном микроскопе большое число мелких вакуолей и каналов, соединяющихся друг с другом и образующих что-то наподобие рыхлой сети (ретикулум). Было видно, что стенки этих вакуолей и канальцев ограничены тонкими мембранами.

Структура: ЭПС представляет собой сеть из пузырьков, каналов, цистерн, густо оплетающих центральную часть цитоплазмы (эндоплазму) и занимающих 50-70 % ее объема.

Различают два вида ЭПС: гранулярную (зернистую, шероховатую) и агранулярную (гладкую). На мембранах гранулярной сети расположены рибосомы, на гладкой их нет.

Основными функциями ЭПС являются: синтетическая – на гранулярной – синтез белка в рибосомах, на гладкой – углеводов и липидов; транспортная – синтезированные вещества перемещаются по каналам ЭПС внутри клетки и за её пределы.

Типы ЭПС

КОМПЛЕКС (АППАРАТ) ГОЛЬДЖИ

Органоид общего значения, имеющий одномембранный принцип строения. В 1898году итальянский ученый Камилло Гольджи выявил и описал в нервных клетках образования, которые он назвал «внутренним сетчатым аппаратом».

Структурной и функциональной единицей комплекса Гольджи является диктиосома. В растительной клетке количество диктиосом больше, чем в животной.

На одну диктиосому приходятся4–8 цистернв виде уплощенных мешочков d = 0,05–10 нм. Цистерны располагаются одна над другой наподобие стопки блинов на расстоянии 25–30 нм друг от друга, никаких структурных связей между ними нет. Число диктиосом варьирует от одной до нескольких тысяч в зависимости от вида клетки. Это образование имеет чашеобразную форму и тесно связано с гладкой ЭПС.

Функции: 1) место сортировки, созревания, хранения, упаковки и выведения веществ, синтезированных в клетке;

2) образованиесекреторных гранул (включений);

3)посредник между ЭПС и цитоплазматической мембраной в процессе экзоцитоза;

4) участие в метаболических процессах (синтез полисахаридов) и химических преобразованиях (синтез стероидов);

5) образование первичных лизосом;

6) участие в формировании клеточных мембран;

7) компартментализация.

ЛИЗОСОМЫ

Органоиды общего значения, имеющие одномембранный принцип строения. В 1949 году группа биохимиков во главе с Де Дювом открыла лизосомы как мембранные внутриклеточные частицы.

Форма: сферическая.

Размеры: 0,2 – 1,0 мкм.

Структура: лизосома представляет собой пузырек, отграниченный от цитоплазмы однослойной мембраной, который несет более 60 протеолитических ферментов (20% из них сосредоточены на мембране лизосом, 80% – внутри).

Типы: 1) первичные лизосомы;

2) вторичные лизосомы (пищеварительные вакуоли);

3) остаточные тельца (телолизосомы);

4) аутофагосомы.

Первичные лизосомы – это пузырьки d=100 нм, отшнуровавшиеся от комплекса Гольджи и содержащие протеолитические ферменты (гидролазы). В дальнейшем, когда первичная лизосома сливается с фагосомой (пиносомой) – вакуолью, содержащей субстрат, она становится вторичной лизосомой. Внутри пищеварительной вакуоли происходит внутриклеточное переваривание. Судьба поглощенных биогенных веществ заключается в их расщеплении гидролазами до мономеров и в транспорте этих мономеров через мембрану лизосомы в состав гиалоплазмы, где они повторно утилизируются, включаются в различные синтетические и обменные процессы. Однако расщепление в ряде клеток может идти не до конца. Тогда в лизосомах накапливаются непереваренные продукты, в них нет ферментов, такие лизосомы получили название телолизосом. У человека при старении организма в клетках мозга, печени, мышечных волокнах в телолизосомах находят «пигмент старения» – липофусцин. Судьба остаточных телец может быть двоякой: одни выбрасываются из клетки путем экзоцитоза, другие (липофусциновые гранулы) остаются в клетках вплоть до их гибели.

Аутофагосомы по морфологии близки к вторичным лизосомам, но с тем отличием, что их субстратами являются фрагменты или даже целые цитоплазматические структуры (митохондрии, элементы ЭПС, рибосомы и др.).

Функция:

Аутофагия – расщепление эндогенных биологических молекул, представляющих собой «сломанные», «изношенные» клеточные компоненты, что обеспечивает утилизацию в клетке баластных, дефектных органоидов или саморастворение органелл, особенно часто происходящее в условиях пищевого или кислородного голодания. Лизосомы имеют отношение к апоптозу (гибели клетки), когда клетка «переваривает» себя (аутолиз – саморастворение).

Гетерофагия – расщепление экзогенных биологических молекул, попавших в клетку путем фагоцитоза (твердые вещества в упаковке) или пиноцитоза (капля в упаковке).

ПЕРОКСИСОМЫ (микротельца)

Органоиды общего значения, имеющие одномембранный принцип строения. Впервые пероксисомы были выделены из печени и почек.

Форма: сферическая.

Размеры: у мелких 0,15–0,25 мкм, которые обнаруживаются во всех клетках; 0,3–1,5 мкм у крупных, которые находятся в клетках печени и почек.

Структура: пероксисома – это округлое тельце, окруженное по периферии одним слоем мембраны. Внутри располагается сердцевина в виде кристаллов, представленных фибриллами или трубочками, и гранулярный матрикс. Во фракциях пероксисом обнаруживаются ферменты, связанные с метаболизмом перекиси водорода – это различные оксидазы, выделенные из сердцевины, и каталаза, содержащаяся в матриксе. Каталаза составляет до 40% всех белков в пероксисоме и играет важную защитную роль.

Оксидазы катализируют образование пероксида водорода, который, будучи токсичным, разрушается затем под действием пероксидазы и каталазы. Эти реакции включены в различные метаболические циклы, например, обмен мочевой кислоты в клетках печени и почек.

Функция: 1) нейтрализация перекиси, которая является токсичным веществом для клетки;

2) депо для ряда ферментов, которые играют важную роль при превращении жиров в углеводы и катаболизме пуринов.

ВАКУОЛИ РАСТИТЕЛЬНЫХ КЛЕТОК

Органоиды общего значения, имеющие одномембранный принцип строения и встречающиеся только в клетках растений.

Размер и количество: определяются возрастом клетки. В молодых клетках вакуоли возникают из мелких пузырьков, отщепившихся от ЭПС. По мере роста и дифференцировки клетки мелкие вакуоли сливаются друг с другом и образуют одну или несколько крупных вакуолей, занимающих до 80% объема всей клетки. В результате цитоплазма с ядром и органоидами оттесняется на периферию.

Структура: центральные вакуоли отделены от цитоплазмы одинарной мембраной – тонопластом, который сходен по толщине с плазмолеммой. Полость вакуоли заполнена клеточным соком. В состав клеточного сока входят неорганические соли, сахара, органические кислоты и их соли, другие низкомолекулярные вещества, а также некоторые высокомолекулярные соединения (например, белки).

Функции: 1) осморегуляция: благодаря полупроницаемости тонопласта и плазмолеммы сохраняется соответствующая молекулярная концентрация клеточного сока, т.е. вакуоль функционирует в качестве осмометра;

2) экскреторная: через тонопласт могут удаляться все водорастворимые продукты обмена (алкалоиды – никотин, кофеин; полифенолы);

3) запасающая: в клеточном соке накапливаются фосфаты K⁺, Na⁺, Ca²⁺, соли органических кислот (оксалаты, цитраты и др.), сахара и белки.

РИБОСОМЫ

Органоид, не имеющий мембранного строения. Это единственный органоид общего значения, который присутствует в клетках как прокариот, так и эукариот. Рибосомы впервые были описаны в 1955 г. Дж. Паладе (гранулы Паладе), который доказал, что они представляют собой рибонуклеопротеидные комплексы (РНП).

Химическая природа: РНП= р-РНК+белок.

На долю рибосом приходится 85% РНК, представленной в клетке.

Форма: рибосома имеет грибовидную форму, так как состоит из двух субъединиц: большой и малой, между ними располагается функциональный центр рибосомы (ФЦР), в котором во время биосинтеза белка (период трансляции) располагается и-РНК двумя своими триплетами и работает ферментативный комплекс, обеспечивающий сборку белковой молекулы из аминокислот.

Место образования: образование субъединиц рибосом происходит в ядрышках ядра. Сборка субъединиц в целостную рибосому осуществляется в цитоплазме при достижении концентрации ионов магния (Mg²⁺) 0.001М, если указанная концентрация уменьшается, происходит диссоциация субъединиц. Когда концентрация Mg²⁺ увеличивается в десять раз, достигая значения 0.01М, две рибосомы взаимодействуют друг с другом, образуя димер.

Локализация в клетке: рибосомы располагаются

Функция: синтез белка в клетке – это «фабрики по производству белка».

В процессе биосинтеза белка несколько рибосом (от 5 до 70) прикрепляются к и-РНК наподобие «нитки бус». Эта структура называется полирибосомой или полисомой, благодаря ей процесс сборки полипептидной цепи ускоряется во много раз.