МЕМБРАННЫЕ ОРГАНОИДЫ КЛЕТКИ

Эндоплазматическая сеть (цитоплазматическая сеть, эндоплазматический ретикулум). Эндоплазматическая сеть была открыта Р.Портером в 1945 г. при электронномикроскопическом анализе. Она представляет собой совокупность вакуолей, плоских мемб­ранных мешков или трубчатых образований, создающих мембран­ную сеть внутри цитоплазмы. Различают два типа эндоплазматической сети — зернистую, или гранулярную, и незернистую, или агранулярную, гладкую.

Гранулярная эндоплазматическая сеть представлена замкнуты­ми мембранами, которые образуют мешки, цистерны, трубочки. Ширина полостей цистерн варьирует. Отличительной чертой этих мембран является наличие расположенных на них рибосом. Скоп­ления гранулярной эндоплазматической сети характерны для кле­ток, активно синтезирующих секреторные белки. Так, например, в клетках печени, поджелудочной железы, нервных клетках гра­нулярная эндоплазматическая сеть в виде плотно упакованных друг около друга мембран занимает обширные зоны. Рибосомы, свя­занные с мембранами эндоплазматической сети, участвуют в син­тезе белков, выводимых из клетки («экспортируемые» белки) (рис.Х.5).

Рис.Х.5. Строение гранулярной эндоплазматической сети (по Ченцову, 1999). 1 — рибосомы; 2 — мембраны; 3 — внутренние полости цистерны; 4 — отщепля­ющиеся мембранные пузырьки

Белки, накапливающиеся в полостях эндоплазматической сети, транспортируются в вакуоли комплекса Гольджи, где они моди­фицируются и входят в состав либо лизосом, либо секреторных гранул, содержимое которых оказывается изолированным от гиалоплазмы мембраной. Внутри каналов гранулярной эндоплазма­тической сети происходит модификация белков, например связывание их с сахарами и конденсация синтезированных белков с образованием секреторных гранул. На рибосомах гранулярной эндоплазматической сети синтезируются белки всех клеточных мем­бран. Липиды, синтез которых идет в гиалоплазме, объединяются с белковыми комплексами, в результате чего наращиваются мем­браны не только самой эндоплазматической сети, но и других компонентов вакуолярной системы.

Таким образом, гранулярная эндоплазматическая сеть обеспе­чивает не только синтез секретируемых и мембранных белков, но осуществляет их изоляцию от гиалоплазмы, модификацию и транс­порт в другие участки клетки, вплоть до выведения из клетки.

Агранулярная ((гладкая) эндоплазматическая сеть также пред­ставлена мембранами, образующими мелкие вакуоли, канальцы, которые могут ветвиться, сливаться друг с другом. Диаметр ваку­олей и канальцев гладкой эндоплазматической сети обычно око­ло 50—100 нм. В отличие от гранулярной сети на мембранах гладкой сети нет рибосом. Гладкая эндоплазматическая сеть развива­ется на основе гранулярной. В отдельных участках гранулярной сети образуются новые липопротеидные мембранные участки, лишен­ные рибосом. Эти участки отщепляются от гранулярных мембран и функционируют как самостоятельная вакуолярная система.

Гладкая эндоплазматическая сеть участвует в синтезе липидов, метаболизме углеводов (способствует отложению гликогена в гиалоплазме клеток); она хорошо развита в клетках коркового веще­ства надпочечников, секретирующих стероидные гормоны; обес­печивает дезактивацию вредных для организма веществ за счет их окисления с помощью ряда специальных ферментов. Так, при некоторых отравлениях в клетках печени появляются обширные зоны, заполненные гладким эндоплазматическим ретикулумом.

Комплекс Гольджи. В 1898 г. Гольджи, исследуя строение нерв­ных клеток хромсеребяным методом, выявил в цитоплазме сеть окрашиваемых структур и назвал их "внутренним сетчатым аппа­ратом". Подобные структуры впоследствии были обнаружены в клетках всех эукариот и получили название аппарата, или комп­лекса, Гольджи (рис.Х.6).

Аппарат Гольджи представлен мембранными структурами, со­бранными вместе в небольших зонах, каждая из которых называ­ется диктиосомой. Таких зон в клетках может быть несколько. В состав диктиосомы входит 5—10 плоских, отграниченных мемб­раной полостей (цистерн), расположенных параллельно. Мембра­ны центральной части цистерн сближены, а на периферии имеют расширения — ампулы, ширина которых непостоянна. В зоне ком­плекса Гольджи находится также множество мелких пузырьков (везикул), главным образом в его периферических участках. При­нято различать в зоне диктиосомы проксимальный и дистальный участки. Обычно аппарат Гольджи поляризован: его проксимальная часть обращена к ядру, а дистальная — к поверхности клетки. В клетках отдельные диктиосомы могут быть связаны друг с дру­гом системой везикул и цистерн, так что образуется рыхлая трех­мерная сеть, выявляемая при световой и электронной микроско­пии.

Рис.Х.6. Аппарат Гольджи (по Ченцову, 1999). А — нервная клетка спинного мозга (импрегнация серебром по методу Гольджи): 1 — ядро; 2 — ядрышко; 3 — аппа­рат Гольджи. Б — аппарат Гольджи на ультратонком срезе (печеночная клетка): 1 — пузырьки; 2 — трубочки; 3 — уплощенные мешочки (цистерны)

Аппарат Гольджи участвует в сегрегации и накоплении про­дуктов, синтезированных в цитоплазматической сети. В его цис­тернах синтезируются полисахариды; они соединяются с белка­ми, что приводит к образованию сложных комплексов — пептидогликанов. С помощью элементов аппарата Гольджи за пределы секреторной клетки выводятся готовые секреты. Кроме того, пла­стинчатый комплекс обеспечивает формирование клеточных лизосом. Мембраны комплекса образуются путем отщепления мел­ких вакуолей от гранулярного эндоплазматического ретикулума. Эти вакуоли поступают в проксимальный (приближенный к ядру) отдел аппарата Гольджи, где и сливаются с его мембранами. Внутри полостей аппарата Гольджи с помощью различных ферментов мо­дифицируются лизосомные белки и белки секретов. Модифицирую­щиеся белки переходят от цистерн проксимальной части в цис­терны дистальной части путем эстафетного переноса мелких ва­куолей, содержащих транспортируемый белок. В дистальной части (удаленной от ядра) происходит сортировка белков благодаря спе­циальным ферментам — белковым регуляторам, "узнающим" сек­реторные белки или белки, входящие в состав лизосом (гидрола­зы). В результате от дистальных участков диктиосом отщепляются два типа мелких вакуолей: вакуоли, содержащие гидролазы, — первичные лизосомы, и вакуоли, содержащие белки, предназначен­ные для выноса из клетки (секреторные белки).

Секреторная функция аппарата Гольджи заключается в том, что синтезированный на рибосомах экспортируемый белок, на­капливающийся внутри цистерн эндоплазматической сети, транс­портируется в вакуоли аппарата, затем конденсируется, образуя секреторные белковые гранулы (как это наблюдается, например, в клетках поджелудочной железы). От ампулярных расширений ци­стерн аппарата Гольджи отщепляются пузырьки (везикулы), со­держащие эти белки. Везикулы сливаются друг с другом, увеличи­ваются в размерах, образуя секреторные гранулы. Гранулы начи­нают двигаться к поверхности клетки, соприкасаются с плазма-леммой. Их собственные мембраны сливаются с ней, и содержи­мое гранул оказывается за пределами (экзоцитоз). Таким обра­зом, комплекс Гольджи играет роль своеобразного конвейера, который обеспечивает сортировку и окончательную упаковку раз­личных продуктов. Благодаря этому с момента образования на эндоплазматической сети до выведения из клеток секреты отделе­ны от гиалоплазмы мембраной.

Лизосомы. Лизосомы — это разнообразные вакуоли (размером 0,2-0,4 мкм), ограниченные одиночной мембраной. Характерным признаком лизосом является наличие в них гидролитических фер­ментов — гидролаз (протеиназы, нуклеазы, глюкозидазы, фосфатазы, липазы), расщепляющих различные биополимеры при кис­лом рН. Лизосомы были описаны на электронномикроскопическом уровне в 1949 г. де Дювом.

Среди лизосом выделяют первичные лизосомы, вторичные лизо­сомы (фаголизосомы и аутофагосомы) и остаточные тельца.

Первичные лизосомы представляют собой мелкие мембранные пузырьки размером около 0,2—0,5 мкм, заполненные бесструк­турным веществом, содержащим гидролазы, в том числе актив­ную кислую фосфатазу. Первичные лизосомы формируются в ком­плексе Гольджи.

Вторичные лизосомы формируются при слиянии первичных ли­зосом с фагоцитарными или пиноцитозными вакуолями. Они об­разуют фаголизосомы (пищеварительные вакуоли) или сливаются с дефектными органеллами самой клетки, подвергающимися унич­тожению, формируя аутофагосомы (рис.Х.7). При этом ферменты первичной лизосомы получают доступ к субстратам, которые они расщепляют. Вещества, попавшие в состав вторичной лизосомы, расщепляются гидролазами до мономеров, которые транспорти­руются через мембрану лизосомы в гиалоплазму, где они включа­ются в различные обменные процессы. В аутофагосомах обнаружи­ваются фрагменты или даже целые цитоплазматические структу­ры, например митохондрии, элементы цитоплазматической сети, рибосомы, гранулы гликогена и др., что свидетельствует об их участии в удалении отслуживших органоидов. Значительно возра­стает число аутофагосом при различных повреждениях клеток.

Рис.Х.7. Схема участия структур клетки в образовании лизосом и во внутрикле­точном пищеварении (по Ченцову, 1999). 1 — образование из гранулярной эндоплазматической сети мелких пузырьков, содержащих гидролитические фермен­ты; 2 — перенос ферментов в аппарат Гольджи; 3 — образование первичных лизосом; 4 — выделение и 5 — использование гидролаз при внеклеточном рас­щеплении; 6 — эндоцитозные пузырьки; 7 — слияние первичных лизосом и эндоцитозных пузырьков; 8 — образование вторичных лизосом (фаголизосом); 9 — телолизосомы; 10 — экскреция остаточных телец; 11 — слияние первичных лизо­сом с разрушающимися структурами клетки; 12 — аутофагосома

Таким образом, важнейшей функцией лизосом является их уча­стие в процессах внутриклеточного расщепления различных ве­ществ (процесс внутриклеточного «пищеварения»). Однако лизосо­мы могут работать и внеклеточно, обеспечивая разрушение по­гибших или отслуживших клеток. Примером этому является рабо­та нейтрофилов (гранулоцитов крови) в очагах воспаления, кото­рые выбрасывают лизосомы из цитоплазмы. Этим обеспечивается лизис мертвых клеток, фрагменты которых впоследствии фагоци­тируются макрофагами соединительной ткани и утилизируются лизосомами внутриклеточно.

Митохондрии. Основная функция митохондрий связана с окис­лением органических соединений и использованием освобождаю­щейся при распаде этих соединений энергии для синтеза молекул АТФ, т.е. митохондрии являются органоидами клеточного дыхания.

Термин «митохондрия» был введен Бенда в 1897 г. для обозна­чения зернистых и нитчатых структур в цитоплазме разных клеток. Митохондрии можно увидеть под световым микроскопом. Коли­чество митохондрий в клетке сильно варьирует — от единичных элементов до сотен. В живых клетках митохондрии могут переме­щаться, сливаться друг с другом, делиться. В среднем толщина их около 0,5 мкм, а длина — от 1 до 10 мкм. Во многих случаях от­дельные митохондрии имеют гигантские размеры и представляют собой разветвленную сеть — митохондриальный ретикулум. Так, например, в скелетных мышцах митохондриальный ретикулум представлен множеством разветвленных и гигантских митохондриальных тяжей.

Обычно митохондрии находятся в тех участках цитоплазмы, где возникает повышенная потребность в АТФ. Так, в сердечной мышце митохондрии находятся вблизи миофибрилл, в спермато­зоидах они образуют футляр вокруг оси жгутика.

Митохондрии ограничены двумя мембранами толщиной около 7 нм (рис.Х.8). Наружная митохондриальная мембрана отделяет их от гиалоплазмы. Обычно это замкнутый мембранный мешок с ров­ными контурами. Внешнюю мембрану от внутренней отделяет межмембранное пространство шириной около 10—20 нм. Внутренняя митохондриальная мембрана ограничивает внутреннее содержимое митохондрии, ее матрикс. Характерной чертой внутренних мембран мито­хондрий является их спо­собность образовывать мно­гочисленные впячивания внутрь митохондрий. Такие впячивания, имеющие вид плоских гребней, называ­ются кристами. Матрикс митохондрий имеет тонко­зернистое строение. В нем выявляются тонкие нити (толщиной около 2—3 нм) и гранулы (размером около 15—20 нм). Нити матрикса митохондрий представляют собой молекулы ДНК, а мел­кие гранулы — митохондриальные рибосомы.

Основной функцией ми­тохондрий является синтез АТФ (см. ниже с. 471), происходящий в результате процессов окисления органических субстратов и фосфорилирования АДФ. Начальные этапы этих сложных процессов совершаются в гиалоплазме. Здесь происходит первичное окисление субстратов (на­пример, Сахаров) до пировиноградной кислоты (пирувата) с од­новременным синтезом небольшого количества АТФ. Эти процес­сы совершаются в отсутствие кислорода (анаэробное окисление, или гликолиз). Все последующие этапы выработки энергии — аэробное окисление и синтез основной массы АТФ — осуществляются с потреблением кислорода и локализуются внутри митохондрий. При этом происходит дальнейшее окисление пирувата и других суб­стратов энергетического обмена с выделением СО₂ и переносом протонов на их акцепторы. Эти реакции осуществляются в матриксе митохондрий в цикле трикарбоновых кислот (см. с. 477).

Рис.Х.8. Схема строения митохондрии

В мембранах крист располагаются системы дальнейшего пере­носа электронов и сопряженного с ним окислительного фосфо­рилирования. При этом происходит перенос электронов от одно­го белка-акцептора электронов к другому, и наконец, связывание их с кислородом, вследствие чего образуется вода. Одновременно часть энергии, выделяемой при таком окислении в цепи переноса электронов, запасается в виде макроэргической связи при фосфорилировании АДФ, что приводит к образованию большого числа молекул АТФ — основного внутриклеточного энергетического депо. Именно на мембранах крист митохондрий происходит процесс окислительного фосфорилирования с помощью расположенных здесь белков цепи окисления и АТФ-синтетазы — фермента фосфори­лирования АДФ (см. ниже).

В матриксе митохондриий локализуется автономная система митохондриального белкового синтеза. Она представлена молекула­ми ДНК, свободными от гистонов (это сближает их с ДНК бакте­риальных клеток). На этих молекулах синтезируются молекулы РНК разных типов: информационные (иРНК), транспортные (тРНК) и рибосомные (рРНК) (см. ниже). В матриксе митохондрий локализо­ваны рибосомы, отличные от рибосом цитоплазмы, которые уча­ствуют в синтезе ряда митохондриальных белков, не кодируемых ядром (см. ниже). Малые размеры молекул митохондриальных ДНК не могут определить синтез всех белков митохондрий. Подавляю­щее большинство белков митохондрий находится под генетичес­ким контролем клеточного ядра и синтезируются в цитоплазме. Митохондриальная ДНК кодирует лишь часть митохондриальных белков, которые локализованы в мембранах и ответственны за правильную интеграцию в митохондриальных мембранах отдель­ных функциональных белковых комплексов.

Размеры и число митохондрий в клетках может увеличиваться. Число митохондрий увеличивается путем деления перетяжкой или фрагментацией исходных крупных митохондрий на более мелкие, которые в свою очередь могут расти и снова делиться.