Клеточная (плазматическая) мембрана, ее основные функции

Клетки отделены от внутренней среды организма клеточной или плазматической мембраной. Мембрана обеспечивает: 1) избиратель­ное проникновение в клетку и из нее молекул и ионов, необходи­мых для выполнения специфических функций клеток; 2) избира-

*В подготовке разделов 1.6-1.9 принимал участие проф.М.Б.Баскаков

тельный транспорт ионов через мембрану, поддерживая трансмем­бранную разницу электрического потенциала; 3) специфику межкле­точных контактов.

Благодаря наличию в мембране многочисленных рецепторов, вос­принимающих химические сигналы — гормоны, медиаторы и другие биологически активные вещества, она способна изменять метаболи­ческую активность клетки. Мембраны обеспечивают специфику им­мунных проявлений, благодаря наличию на них антигенов — струк­тур, вызывающих образование антител, способных специфически связываться с этими антигенами.

Ядро и органеллы клетки также отделены от цитоплазмы мембра­нами, которые предупреждают свободное движение воды и раство­ренных в ней веществ из цитоплазмы в них и наоборот. Это со­здает условия для разделения биохимических процессов, протека­ющих в различных отсеках (компартментах) внутри клетки.

Структура мембраны клетки.Мембрана клетки — эластичная структура, толщиной от 7 до 11 нм (рис.1.1). Она состоит, в ос­новном, из липидоа и белков. От 40 до 90% всех липидов состав­ляют фосфолшшды- фосфатидилхолин, фосфатидилэтаноламин, фос-фатидилсерин, сфингомиелин и фосфатидилинозит. Важным компо­нентом мембраны являются гликолипиды, представленные церебро-зидами, сульфатидами, ганглиозидами и холестерином. Основной структурой мембраны клетки является двойной слой фосфолигшдных молекул. За счет гидрофобных взаимодействий углеводные цепочки липидных молекул удерживаются друг возле друга в вытянутом со­стоянии. Группы же фосфолипидных молекул обоих слоев взаимо действуют с белковыми молекулами, погруженными в липидную

мембрану. Благодаря тому, что большинство липидных компонентов бислоя находится в жидком состоянии, мембрана обладает подвиж­ностью, совершает волнообразные движения. Ее участки, а также белки, погруженные в липидный бислой, перемешаются из одной ее части в другую. Подвижность (текучесть) мембран клеток облегчает процессы транспорта веществ через мембрану.

Белки мембраны клеток представлены, в основном, гликопроте-инами. Различают интегральные белки, проникающие через всю тол­щу мембраны и периферические белки, прикрепленные только к по­верхности мембраны, в основном, к внутренней ее части. Перифе­рические белки почти все функционируют как энзимы (ацетилхоли-нестераза, кислая и шелочная фосфатазы и др.). Но некоторые эн­зимы также представлены интегральными белками — АТФ-аза. Ин­тегральные белки обеспечивают селективный обмен ионов через каналы мембран между экстрацеллюлярной и интрацеллюлярной жидкостью, а также действуют как белки — переносчики крупных молекул. Рецепторы и антигены мембраны могут быть представлены как интегральными, так и периферическими белками. Белки, при­мыкающие к мембране с цитоплазматической стороны, относятся к цитоскелету клетки. Они могут прикрепляться к мембранным бел­кам. Так, белок полосы 3 (номер полосы при электрофорезе белков) эритроцитарных мембран объединяется в ансамбль с другими моле­кулами цитоскелета — спектрином через низкомолекулярный белок анкирин (рис. 1.2).

Рис. 1.2 Схема расположения белков в примембранном цитоскелете эритроцитов.

1 — спектрин; 2 — анкирин; 3 — белок полосы 3;

4 — белок полосы 4,1; 5 — белок полосы 4,9;

6 — олигомер актина; 7 — белок 6; 8 — гпикофорин А;

9 — мембрана.

Спектрин является основным белком цитоскелета, составляющим двумерную сеть, к которой прикрепляете—актин. Актин образует

микрофиламенты, представляющие собой сократительный аппарат ци-тоскелета. Цитоскелет позволяет клетке проявлять гибкоэластические свойства, обеспечивает дополнительную прочность мембраны. Боль­шинство интегральных белков — гликопротеины. Их углеводная часть выступает из клеточной мембраны наружу. Многие гликопротеины обладают большим отрицательным зарядом из- за значительного со­держания сиаловой кислоты (например, молекула гликофорина). Это обеспечивает поверхности большинства клеток отрицательный заряд, способствуя отталкиванию других отрицательно заряженных объектов. Углеводные выступы гликопротеинов являются носителями антигенов групп крови, других антигенных детерминант клетки, они действуют как рецепторы, связывающие гормоны. Гликопротеины образуют ад­гезивные молекулы, обуславливающие прикрепление клеток одна к другой, т.е. тесные межклеточные контакты.

Особенности обмена веществ в мембране.Мембранные компо­ненты подвержены многим метаболическим превращениям под вли­янием ферментов, расположенных на их мембране или внутри ее. К ним относятся окислительные ферменты, играющие важную роль в модификации гидрофобных элементов мембран — холестерина и др. В мембранах же при активации ферментов — фосфолипаз происхо­дит образование из арахидоновой кислоты биологически активных соединений — простагландинов и их производных. В результате ак­тивации метаболизма фосфолипидов вмембране образуются тром-боксаны, лейкотриены, оказывающие мощное воздействие на адге­зию тромбоцитов, процесс воспаления и др.

В мембране непрерывно протекают процессы обновления ее ком­понентов. Так, время жизни мембранных белков колеблется от 2 до 5 дней. Однако в клетке существуют механизмы, обеспечивающие доставку вновь синтезированных молекул белка к мембранным ре­цепторам, облегчающим встраивание белка в мембрану. "Узнавание" данного рецептора вновь синтезированным белком облегчается об­разованием сигнального пептида, помогающего найти на мембране рецептор. Липиды мембраны отличаются также значительной ско­ростью обмена, что требует для синтеза этих компонентов мембраны большого количества жирных кислот.

На специфику липидного состава мембран клеток влияют изме­нения среды обитания человека, характера его питания. Например, увеличение в пище жирных кислот с ненасыщенными связями уве­личивает жидкое состояние липидов мембран клеток различных тка­ней, приводит к благоприятному для функции мембраны клетки изменению отношения фосфолипидов к сфингомиелинам и липидов к белкам. Избыток холестерина в мембранах, напротив, увеличивает микровязкость их бислоя фосфолипидных молекул, понижая ско­рость диффузии некоторых веществ через мембраны клеток. Пища, обогащенная витаминами А, Е, С, Р улучшает обмен липидов в мембранах эритроцитов, снижает микровязкость мембран. Это по­вышает деформируемость эритроцитов, облегчает выполнение ими транспортной функции (глава 6). Дефицит жирных кислот и холес-

18

терина в пище нарушает липидный состав и функции мембран клеток. Например, дефицит жиров нарушает функции мембраны нейтрофилов, что угнетает их способность к движению и фагоци­тозу (активный захват и поглощение микроскопических инородных живых объектов и твердых частиц одноклеточными организмами или некоторыми клетками).

В регулировании липидного состава мембран и их проницаемости, регуляции пролиферации клеток важную роль играют активные фор­мы кислорода, образующиеся в клетке сопряженно с нормально протекающими метаболическими реакциями (микросомальным окис­лением и др.). Образующиеся активные формы кислорода — супе­роксидный радикал (О₂), перекись водорода (Н₂О₂) и др. представ­ляют собой чрезвычайно реакционноспособные вещества. Их основ­ным субстратом в реакциях свободнорадикального окисления явля­ются ненасыщенные жирные кислоты, входящие в состав фосфоли-пидов мембран клетки (так называемые реакции перекисного окис­ления липидов). Интенсификация этих реакций может вызвать по­вреждение мембраны клетки, ее барьерной, рецепторной и обменной функций, модификацию молекул нуклеиновых кислот и белков, что ведет к мутациям и инактивации ферментов.

В физиологических условиях интенсификация перекисного окис­ления липидов регулируется антиоксидазной системой клеток, пред­ставленной ферментами, инактивируюшими активные формы кисло­рода — супероксиддисмутазой, каталазой, пероксидазой и вещества­ми, обладающими антиокислительной активностью — токоферолом (витамин Е), убихиноном и др. Выраженный защитный эффект на мембраны клетки (цитопротекторный эффект) при различных по­вреждающих воздействиях на организм оказывают простагландины Е и J₂, "гася" активацию свободнорадикального окисления. Простаг­ландины защищают слизистую желудка и гепатоциты от химических повреждений, нейроны, клетки нейроглии, кардиомиоциты — от ги-поксических повреждений, скелетные мышцы -- при тяжелой фи­зической нагрузке. Простагландины, связываясь со специфическими рецепторами на клеточных мембранах стабилизируют бислой пос­ледних, уменьшают потерю мембранами фосфолипидов.

Функции рецепторов мембран.Химический или механический сигнал вначале воспринимается рецепторами мембраны клетки. Следствием этого является химическая модификация мембранных белков, влекущая активацию "вторичных посредников", обеспечива­ющих быстрое распространение сигнала в клетке к ее геному, энзи­мам, сократительным элементам и т.д. Схематично трансмембранная передача сигнала в клетке может быть представлена следующим образом. Возбужденный воспринятым сигналом рецептор активирует у- белки мембраны клетки. Это происходит при связывании ими гуанозинтрифосфата (ГТФ). Взаимодействие комплекса "ГТФ-у- бел­ки", в свою очередь, активирует фермент — предшественник вто­ричных посредников, расположенный на внутренней стороне мем­браны. Предшественником одного вторичного посредника — цАМФ,

образующегося из АТФ, является фермент аденилатциклаза; пред­шественником других вторичных посредников — инозитол-трифос-фата идиацилглицерина, образующихся из фосфатидилинозитол-4,5-дифосфата мембраны, является фермент фосфолипаза С. Кроме того, инозитолтрифосфат мобилизует в клетке еще один вторичный по­средник — ионы кальция, участвующие практически во всех регу-ляторных процессах в клетке. Так, например, образовавшийся ино­зитолтрифосфат вызывает выброс кальция из эндоплазматического ретикулума и повышение его концентрации в цитоплазме, тем са­мым включая различные формы клеточного ответа. С помощью ино-зитолтрифосфата и диацилглицерина регулируется функция гладких мышц и В-клеток поджелудочной железы ацетилхолином, передней доли гипофиза тиреогропин-релизинг фактором, ответ лимфоцитов на антиген и т.д. В некоторых клетках роль вторичного посредника выполняет цГМФ, образующийся из ГТФ с помощью фермента гу-анилатциклазы. Он служит, например, вторичным посредником для натрийуретического гормона в гладких мышцах стенок кровеносных сосудов. цАМФ служит вторичным посредником для многих гормо­нов — адреналина, эритропоэтина и др. (глава 3).

1.2. Цитоплазма. Клеточные органеллы (органоиды) и их основные функции.

Цитоплазма содержит различные структуры, расположенные в ци-тозоле. Цитозоль состоит из воды и находящихся в ней молекул — белков, глюкозы, электролитов, небольших количеств фосфолипидов, холестерина и т.д. Она служит средой для обмена веществ между различными органеллами. К последним относят эндоплазматический ретикулум, аппарат Гольджи, лизосомы, пероксисомы, микрофила-мент имикротрубочки, митохондрии, рибосомы. Часть цитоплазмы, прилегающая к мембране клетки и содержащая большое количество микрофиламента, называется эктоплазмой. Цитоплазма между нею и ядерной мембраной называется эндоплазмой.

Эндоплазматический ретикулум(ЭР) — система связанных между собой канальцев и полостей, образованных уплощенными мешочками. Их стенки состоят из бислойных липидных мембран, содержащих белки, фосфолипиды и большое количество ферментов. Размеры и форма ЭР зависят от функциональной активности его клетки. Внут­реннее пространство ЭР отделено от цитоплазмы двойной ядерной мембраной и заполнено эндоплазматическим матриксом, отличным по составу от окружающей цитоплазмы. ЭР имеет также непосред­ственные контакты с митохондриальной и плазматической мембра­ной. Мембраны ЭР располагают ферментами, способными "накачи­вать" катионы кальция в ретикулум. Удержание катионов кальция в ретикулуме играет функциональную роль, например, в сократитель­ных клетках (скелетных, гладких и сердечной мышцах), в которых механическая активность связана с увеличением свободного кальция в цитоплазме.

20

Рис. 1.3 Взаимоотношения эндоплазматического ретикулума, аппарата Гольджи и ядерной оболочки.

Эндоплазматический ретикулум гранулярный (2), гладкий (3); транспортные везикулы эндоплазматического ретикулума (4), аппарата Гольджи (5), секреторные везикулы (6), ядрышко в ядре клетки (1).

Эндоплазматический ретикулум различают (рис. 1.3): шероховатый (гранулярный) ЭР, связанный с прилегающими к нему рибосомами, и гладкий (агранулярный) ЭР, лишенный рибосом. Внутренняя часть гранулярного ЭР аккумулирует синтезированные рибосомами белки, которые транспортируются эндоплазматической сетью в составе транс­портных пузырьков в аппарат Гольджи, а также к плазматической мембране клетки. Поэтому клетки, обильно синтезирующие белки — либо для секреции (гормоны в эндокринных клетках, антитела в плазмоцитах), либо для депонирования в специальных гранулах (фер­менты в гранулах лейкоцитов) — богаты гранулярным ЭР. Напротив, клетки, синтезирующие белки для постоянной функции в цитоплазме (например, гемоглобин в эритробластах) содержат свободные полири­босомы, не связанные с ЭР. Белковые молекулы поступают через стенку ЭР в заполняющее его полужидкое, вязкое вещество — эндо­плазматический матрикс и почти все они немедленно гликозилиру-ются под влиянием ферментов его мембраны (оставшиеся белки при­соединяют углеводную группу в аппарате Голъджи). Поэтому белки ЭР представлены, в основном, гликопротеинами.

В агранулярном ЭР синтезируются липидные вещества (фосфолипи-ды, стероиды), содержатся ферменты, необходимые для синтеза гли­когена в цитоплазме, протекают энзимные процессы, обеспечивающие

7/

детоксикацию ядовитых веществ, их биотрансформацию, т.е. ряд хи­мических превращений в ходе микросомального окисления (окисления молекул субстрата фиксацией на них молекул кислорода). Микросо-мальная система окисления представлена мультиэнзимным комплек­сом, состоящим из монооксидаз, включая цитохром Р-450, гемопро-теин, цитохром Р-450 флавопротеинредуктазу и восстановленный ни-котинамидадениндинуклеотидфосфат (НАДФ-Н). Этот комплекс скон­центрирован в печени, легких, обкладочных клетках желудка, пладен-те, где он осуществляет окисление ксенобиотиков — чужеродных ве­ществ естественного и искусственного происхождения, поступающих в организм с пищей и вдыхаемым воздухом, а также биологически активных метаболитов — стероидных гормонов, простагландинов, желчных кислот и др. Здесь же содержатся энзимы, обеспечивающие гидролиз, связывание с глюкуроновой кислотой детоксицируемых суб­станций. Эти вещества в результате микросомального окисления ока­зываются относительно безвредными для организма и выводятся из него в виде глюкуроновых или сульфуроновых соединений с мочой и желчью. Микросомальная система окисления может увеличивать ак­тивность под влиянием повышенного поступления ксенобиотиков в организм, т.к. последние индуцируют синтез цитохромов Р-450. Вмес­те с тем, некоторые ксенобиотики в ходе микросомального окисления не понижают, а повышают токсичность. Такими свойствами обладают канцерогенные (вызывающие образование злокачественных опухолей) вещества — например, содержащиеся в табачном дыме и воздухе современных городов бензпирен, бензатрацен.

В ЭР и аппарате Гольджи протекает синтез липидов и белков, используемых для обновления мембран всех органелл клетки и плаз­матической мембраны. Синтезированные вещества транспортируются в виде пузырьков к этим мембранам. В ЭР синтезируются ферменты лизосом, поступающие в транспортных пузырьках к поверхности ап­парата Гольджи.

Аппарат Гольджи(внутриклеточный сетчатый аппарат, зона, ком­плекс Гольджи) образован системой канальцев и цистерн, представ­ляющих собой стопку плоских мешочков, от_поверхности которых отпочковываются секреторные пузырьки. Его функции тесно связаны с ЭР: от последнего отделяются транспортные пузырьки и сливают­ся с аппаратом Гольджи. Поступившие таким образом в аппарат Гольджи из ЭР белки и биологически активные вещества хранятся в уплотненном ("упакованном") виде в секреторных пузырьках или в формируемых здесь лизосомах.

В аппарате Гольджи синтезируются гликопротеиды. сиаловые кис­лоты, галактоза, а также глюкозаминогликаны (гиалуроновая кисло­та, хондроитин-сульфат и др.). Последние являются компонентами, поддерживающими деление и созревание кроветворных клеток в костном мозге, входят в состав органического матрикса в хрящах, костях, роговице и т.д., влияя на физические свойства тканей (уп­ругость хрящей, прозрачность роговицы и т.п.). Гликопротеиды вхо­дят в состав слизи, секретируемой бокаловидными клетками кишеч-

22

ника и защищающей его эпителий. Секреторные пузырьки постоян­но отделяются от аппарата Гольджи, диффундируя к мембране клет­ки и сливаясь с ней, а содержащиеся в везикуле вещества выво­дятся из клетки в ходе экзоцитоза. Благодаря участию аппарата Гольджи в секреторной функции клеток, он особенно хорошо развит в секреторных и нервных клетках.

Лизосомы— органеллы диаметром от 250 до 800 нм, окруженные бислойной мембраной, отпочковываются от стопок мешочков аппарата Гольджи. Лизосомы, отделяющиеся от мешочка аппарата Гольджи, называют первичными лизосомами. Они активно участвуют в фагоци­тозе и эндоцитозе и содержат в высоких концентрациях более 50 различных кислых гидролаз, обеспечивающих расщепление биологи­ческих макромолекул — белков, нуклеиновых кислот, углеводов, жи­ров, фагоцитированных бактерий и клеток. Лизосомы содержат также энзимы, способные расщеплять капельки жиров и гранулы гликогена, гликолипиды фагоцитированных мембран старых и поврежденных кле­ток. При недостатке в организме аминокислот лизосомы расщепляют поступающие в клетку альбумины до аминокислот.

Таким образом, важнейшая функция лизосом — переваривание поступившего в клетку материала. После пиноцитоза (втягивание в клетку капельки жидкости из окружающей среды) или фагоцитоза, к пузырьку с захваченным материалом начинают присоединяться одна или несколько лизосом и опорожняют в него их содержимое, формируя вторичную лизосому. В результате фагоцитированный ма­териал расщепляется до аминокислот, глюкозы и др., диффундиру­ющих через мембрану вторичной лизосомы в цитоплазму и испо­льзуемых для питания и обновления клетки. Остатки вторичных лизосом (остаточные тельца) экскретируются через клеточную мем­брану в ходе экзоцитоза (распространенный механизм внешней и внутренней секреции).

Лизосомы ответственны за регрессию физиологически увеличенной массы ткани (матки, после перенесенной беременности и родов, молочных желез в конце периода лактации). Они содержат бакте­рицидные факторы — лизоцим, растворяющий мембрану фагоцити­рованных бактериальных клеток, лактоферрин, связывающий железо, необходимое для поддержания роста бактерий. Кислый рН лизосом (около 5,0) тормозит обмен в бактериях, ускоряя их гибель. Мем­брана лизосом защищает содержимое клетки от действия ее гидро­литических энзимов. Но многие факторы могут оказывать повреж­дающее действие на мембраны лизосом — физические — заморажи­вание и размораживание тканей, их ультразвуковое облучение, хи­мические — детергенты, образуемые в ходе метаболизма свободные радикалы (супероксидный радикал (О,), перекись водорода (Н₂О₂). С другой стороны, ряд веществ стабилизирует лизосомы, выполняет роль протектора их мембран (кортизон и др.).

Пероксисомы— внешне напоминают лизосомы, но сформирова­ны, в основном, из гладкого ЭР и содержат, главным образом,

23

ферменты, катализирующие образование и разложение перекиси водорода. Образование перекиси водорода происходит под действием оксидаз, а разложение — под влиянием пероксидаз или каталаз, представленных в больших количествах в пероксисомах, например, в клетках печени. Перекись водорода — один из важнейших есте­ственных окислителей и организме.

Митохондрии— "энергетические станции" клетки, в которых ос­вобождается основное количество энергии из поступивших в орга­низм питательных веществ. Митохондрии выглядят при электронной микроскопии как округлые, овальные или удлиненные органеллы от 3 до 40 нм в длину, от 2 до 10 нм в ширину, диаметр — от 0,2 до 1 мкм. Они состоят из 2 бислойных липидно-белковых мембран: наружной и внутренней (рис. 1.4). Внутренняя мембрана образует

Рис. 1.4 Схема строения митохондрии.

удлинения, выступы входящие во внутреннее пространство митоход-рий — кристы. Она содержит энзимы электронтранспортной цепи, состоящей из 20 переносчиков электронов. Внутренняя полость митохондрий содержит растворенные в матриксе энзимы цикла Кребса, необходимые для освобождения энергии из питательных веществ. Здесь содержатся также ферменты, участвующие в синтезе жирных кислот. В ходе реакций энзимов цикла Кребса и системы транспорта электронов внутренней мембраны митохондрий питатель­ные вещества окисляются до СО₂ и воды, а освобождающаяся энер­гия используется для синтеза высокоэнергетической субстанции —

24

аденазинтрифосфата (АТФ). Затем молекулы АТФ из митохондрий диффундируют в клетку, обеспечивая энергией все клеточные функ­ции (химическую, электрическую, осмотическую, механическую ра­боту). Число митохондрий в клетке варьирует от 20 до 5 • 10⁵, при этом они способны к самообновлению и пролиферации. Количество и размеры отдельных митохондрий увеличиваются при возрастании потребности ткани в энергии. Митохондрии содержат дезоксирибо-нуклеиновую кислоту (ДНК), различные классы рибонуклеиновых кис­лот (РНК),обеспечивающих обновление и синтез новых митохондрий.

Микрофиламенты— нитевидные структуры (микрофибриллы) и микротрубочки. Микрофибриллы — актин и миозин — компоненты сократительного аппарата клетки. Микротрубочки составляют основу цитоскелета, прилегающего к мембране с цитоплазматической сто­роны клетки. Они организованы из лежащих параллельно микрово­локон, образующих длинные пустые цилиндры до 25 им Я диаметре и более 2 мкм в длину. Микротрубочки часто уложены в связки, что обеспечивает значительную прочность и жесткость цитоскелету. Микротрубочки образуются при полимеризации белка тубулина. Микрофибриллы и микротрубочки участвуют ворганизации митоти-ческих веретен, в процессах морфогенеза, обеспечивают движения мембраны клетки во время эндоцитоза и экзоцитоза, создают элас­тическую поддержку для клеточной мембраны. Благодаря микрофи-ламенту клетки могут изменять форму (тромбоциты при стимуляции образуют цитоплазматические выросты, усиливающие склеивание тромбоцитов друг с другом), перемешаться в тканях, образуя дви­гательные выступы цитоплазмы — псевдоподии (нейтрофильные лей­коциты, макрофаги и др.). Другие специальные органоиды движе­ния — реснички и жгутики представляют собой плазматические выросты на свободной поверхности клеток. Сокращаясь, реснички перемещают жидкость, пылевые частицы (мерцательный эпителий трахеи, бронхов), а жгутики — клетки (сперматозоиды).

Рибосомы— электронноплотные частицы диаметром от 10 до 25 нм, содержащие, главным образом, рибосомальную РНК и белки. Они включают две субъединицы разной молекулярной массы. Вза­имодействие с информационной РНК (иРНК) и транспортной РНК (тРНК) позволяет им обеспечить синтез белков. В цитоплазме ри­босомы могут лежать отдельно одна от другой, но чаще они сгруп­пированы в ансамбль из 6-10 единиц, формируя полирибосомы (полисомы), необходимые для синтеза цепей белковых комплексов (например, легкие или тяжелые цепи иммуноглобулина, цепи а- и В-гемоглобина и т.д.). В цитоплазме рибосомы либо связаны между собой тонкой цепью иРНК, либо свободно лежат в ней в форме изолированных гранул, но в большинстве случаев они связаны с наружной частью мембраны эндоплазматического ретикулума. Син­тезированные на них белки затем транспортируются через мембрану в просвет канальцев ицистерн ретикулума.

25

1.3. Клеточное ядро. Митоз.

Ядро— центральный элемент клетки. Его оперативное удаление дискоординирует функции цитоплазмы. Ядро играет главную роль в передаче наследственных признаков и синтезе белков. Передача гене­тической информации от одной клетки к другой обеспечивается дез-оксирибонуклеиновой кислотой (ДНК), содержащейся в хромосомах. Удвоение ДНК предшествует клеточному делению. Масса ядра в клет­ках разных тканей различна и составляет, например, 10-18% от массы гепатоцита, 60% — в лимфоидных клетках. В интерфазе (межмитоти-ческом периоде) ядро представлено четырьмя элементами: хроматином, нуклеолой (ядрышком), нуклеоплазмой и ядерной мембраной.

Хроматин— это окрашенные основными красителями многочис­ленные гранулы, из которых сформированы хромосомы. Хромосомы же образованы комплексом нуклеопротеинов, содержащих нуклеино­вые кислоты и белки. Различают два вида хроматина в находящихся в интерфазе ядрах клеток человека — дисперсный, слабо окрашен­ный хроматин (эухроматин), сформированный длинными, тонкими, переплетенными волокнами, метаболически очень активный и кон­денсированный хроматин (гетерохроматин), соответствующий районам хромосом, не вовлеченным в процессы контроля метаболической активности. Для зрелых клеток (например, крови) характерны ядра богатые плотным, конденсированным хроматином, лежащим глыбка-ми. В ядрах соматических клеток женщин он представлен глыбкой хроматина, сближенного с мембраной ядра: это женский половой хроматин (или тельца Барра), представляющий собой конденсиро­ванную Х-хромосому. Мужской половой хроматин представлен в ядрах мужских соматических клеток глыбкой, светящейся при ок­раске флюорохромами. Определение полового хроматина использу­ется, например, для установления пола ребенка по клеткам, полу­ченным из околоплодной жидкости беременной женщины.

Ядрышко— внутриядерная структура сферической формы, не имею­щая мембраны. Оно развито во всех клетках, отличающихся высокой активностью белкового синтеза, что связано с образованием в нем субъединиц цитоплазмы, рРНК. Например, ядрышки обнаруживаются в ядрах способных к делению клеток — лимфобластах, миелобластах и др.

Мембрана ядрапредставлена двумя листами, просвет между ко­торыми соединен с полостью эндоплазматического ретикулума. Мем­брана имеет отверстия (ядерные поры) приблизительно до 100 нм в диаметре, через которые свободно проходят макромолекулы (рибо-нуклеазы, РНК). Вместе с тем, ядерная мембрана и поры поддер­живают микросреду ядра, обеспечивая избирательный обмен различ­ных веществ между ядром и цитоплазмой. В малодифференцирован-ной клетке поры занимают до 10% поверхности ядра, но с созре­ванием клетки их суммарная поверхность уменьшается.

26

Рис.1.5 Различные фазы митоза соматической клетки.

/ — профаза, 2 — метафаза, 3 — анафаза, 4 — телофаза, 5 — формирование двух дочерних клеток.

Нуклеоплазма(ядерный сок) представляет собой коллоидный рас­твор, содержащий белки, который обеспечивает обмен метаболитов ибыстрое перемещение молекул РНК к ядерным порам. Количество нуклеоплазмы уменьшается при созревании или старении клетки.

Деление клеток.Митоз (рис. 1.5)занимает лишь часть клеточного цикла. В клетках млекопитающих фаза митоза (М) длится около часа. За нею следует постмитотическая пауза (G₁), для которой ха­рактерна высокая активность биосинтеза белков в клетке, реали­зуются процессы транскрипции и трансляции. Продолжительность паузы около 10 часов, но это время значительно варьирует и за­висит от влияния регулирующих факторов, стимулирующих и тор­мозящих деление клеток, от снабжения их питательными вещества­ми. Следующая фаза клеточного цикла характеризуется синтезом (репликацией) ДНК(фаза S) и занимает около 9 часов. Далее сле­дует премитотическая фаза G₂, продолжающаяся около 4 часов. Таким образом, весь клеточный цикл длится около 24 часов:

Клетки могут находиться также в фазе покоя — G_o, длительно оставаясь вне клеточного цикла. Например, у человека до 90% ство­ловых кроветворных клеток находится в фазе G_o, но их переход из G_o в G₁ ускоряется при возрастании потребностей в клетках крови.

Высокая чувствительность клеток к регулирующим их деление факторам в фазе G₁ объясняется синтезом на мембранах клеток в

27

этот период рецепторов гормонов, стимулирующих и ингибирующих факторов. Например, деление эритроидных клеток костного мозга в фазе G, стимулирует гормон эритропоэтин. Тормозит этот процесс ингибитор эритропоэза — вещество снижающее продукцию эритроци­тов в случае уменьшения потребностей тканей в кислороде (глава 6).

Передача информации ядру о взаимодействии рецепторов мембра­ны со стимулятором деления клетки включает синтез ДНК, т.е. фазу S. В результате количество ДНК в клетке из диплоидного, 2N, переходит в тетраплоидное — 4N. В фазе G₂ синтезируются струк­туры, необходимые для митоза, в частности, белки митотического веретена. В фазе М происходит распределение идентичного генети­ческого материала между двумя дочерними клетками. Собственно фаза М подразделяется на четыре периода: профазу, метафазу, ана­фазу и телофазу (рис.1.5.). Профаза характеризуется конденсацией ДНКхромосом, образующих две хроматиды, каждая из которых представляет собой одну из двух идентичных молекул ДНК.Нук-леола и ядерная оболочка исчезают. Центриоли, представленные тонкими микротрубочками расходятся к двум полюсам клетки, об­разуя митотическое веретено.

В метафазу хромосомы располагаются в центре клетки, образуя метафазную пластинку, В эту фазу морфология каждой хромосомы наиболее отчетлива, что используется на практике для исследования хромосомного набора клетки. Анафаза характеризуется движением хроматид, "растаскиваемых" волокнами митотического веретена к противоположным полюсам клетки. Телофаза характеризуется обра­зованием ядерной мембраны вокруг дочернего набора хромосом. Знание особенностей клеточного цикла используется на практике, например, при создании цитостатических веществ для лечения лей­козов. Так, свойство винкристина быть ядом для митотического веретена используется для остановки митоза лейкозных клеток.

Дифференциация клеток— есть приобретение клеткой специали­зированных функций, связанное с появлением в ней структур, обес­печивающих выполнение этих функций (например, синтез и накоп­ление гемоглобина в эритроцитах характеризует их дифференциацию в эритроциты). Дифференциация связана с генетически запрограм­мированным торможением (репрессией) функций одних участков генома и активацией других.

1.4. Образование энергии в клетке.

Извлечение энергии из питательных веществ — углеводов, белков, жиров происходит, в основном, внутри клетки. В ней все углеводы представлены глюкозой, белки — аминокислотами, жиры — жирны­ми кислотами. В клетке глюкоза под влиянием энзимов цитоплазмы превращается в пировиноградную кислоту (в ходе анаэробного гли­колиза) (рис. 1.6). В ходе этих превращений из одной молекулы глюкозы образуется 2 молекулы АТФ (не считая 2 молекул АТФ, фосфорилирующих субстрат). Превращение пирувата в 2 молекулы

28

36 АТФ

Рис. 1.6 Образование АТФ при полном окислении глюкозы

29

ацетилкоэнзима А (АцКоА) способствует образованию еще 6 молекул АТФ. И, наконец, АцКоА поступает в митохондрии и, окисляясь в них до СО₂ и Н₂О, образует еще 24 молекулы АТФ. Но не только пировиноградная кислота, а и жирные кислоты и большинство аминокислот превращаются в цитоплазме в АцКоА и также посту­пают в матрикемитохондрий. В цикле Кребса АцКоА расщепляется до атомов водорода и окиси углерода. Окись углерода диффундирует из митохондрий, и далее из клетки. Атомы водорода соединяются с окисленным никотинамидадениндинуклеотидом (НАД⁺), формируя восстановленный НАД (НАДН), и с окисленным никотинамидаде-ниндинуклеотид фосфатом (НАДФ), формируя восстановленный НАДФН, а затем переносятся молекулами — переносчиками водо­рода от НАДН и НАДФН на систему ферментов внутренней мито-хондриальной мембраны. В результате НАДН и НАДФН отдают один протон и два электрона в электротранспортную цепь, образуемую этими ферментами (рис.1.7). В ходе передачи электронов в цепи переносчиков возрастают окислительно- восстановительные потенциа­лы — от отрицательных значений до потенциала восстановления О₂. Эта разница окислительно-восстановительных потенциалов и обра­зует ту движущую силу, которая приводит к синтезу АТФ. Описан­ный перенос электронов и протонов от НАДН и НАДФН по цепи транспорта электронов называется окислительным фосфорилировани-ем. Согласно хемиосмотической теории, объясняющей механизм об­разования энергии при окислительном фосфорилировании, в ходе передачи электронов по электронно-транспортной цепи, пара элек­тронов три раза пересекает внутреннюю мембрану митохондрий, каждый раз перенося два протона наружу (рис. 1.8). В результате

Рис. 1.8 Хемиосмотический механизм окислительного фосфорилирования во внутренней мембране митоходрий.

возникает высокая концентрация протонов снаружи мембраны, и низкая — в матриксе митохондрий и, как следствие, разница в электрическом потенциале между наружным (имеющим положитель­ный заряд) и внутренним (накапливающим отрицательный заряд) слоем мембраны. Оба эти фактора (электрическое поле и разность концентраций) формируют электрохимический трансмембранный протонный градиент, благодаря которому протоны начинают возвра­щаться назад через мембрану. Это обратное движение протонов осуществляется через мембранный белок, к которому присоединяет­ся АТФ-синтетаза, расположенная на внутренней (матричной) сто­роне мембраны. Взаимодействие мембранного белка с АТФ-синте-тазой активирует ее и сопровождается синтезом АТФ из аденозин-дифосфорной (АДФ) и фосфорной кислот (Ф_н). Следовательно, поток протонов через мембрану активирует реакцию:

АДФ + Ф_н -» АТФ + Н₂О

Энергия протонного градиента также обеспечивает транспорт ионов кальция и натрия через мембрану митохондрий, восстановление в них НАДФ⁺ с помощью НАДН, образование тепла. Молекулы АТФ, об­разовавшиеся в ходе гликолиза и окислительного фосфорилирования

31

используются клеткой для обеспечения энергией почти всех внутри­клеточных метаболических реакций. Макроэргические фосфатные связи молекулы АТФ очень нестойки и концевые фосфатные группы легко отщепляются от АТФ, освобождая энергию (7-10 ккал/моль АТФ) (рис. 1.9). Энергия передается переносом отщепившихся, богатых энер­гией фосфатных групп на различные субстраты, ферменты, активируя их, расходуется на мышечное сокращение и т.п.

Рис. 1.9 Схема молекулы АТФ.

Тpuфocфam Высокоэнергетические связи.

Энергетическая фосфогенная система.Энергия макроэргических связей молекулы АТФ является универсальной формой запаса сво­бодной энергии в организме. Вместе с тем, количество АТФ, хра­нимое внутри клетки невелико. Оно обеспечивает ее работу лишь в течение нескольких секунд. Это обстоятельство привело к форми­рованию чувствительных механизмов, регулирующих энергетический обмен в скелетной, сердечной и нервных клетках. В этих тканях присутствуют органические фосфатные соединения, накапливающие энергию в форме фосфатных связей и представляющие собой ис­точник этих богатых энергией фосфатных групп для синтеза АТФ. Органические фосфатные соединения получили название фосфагенов. Наиболее важным из них у человека является креатинфосфат (КФ). При его расщеплении высвобождается энергия до 10 ккал/моль, используемая для ресинтеза АТФ. Снижение содержания АТФ в этих тканях ведет к распаду КФ, а увеличение концентрации АТФ — к его ресинтезу. Так, в скелетной мышце концентрация КФ в 3-5 раз больше, чем АТФ. Гидролиз КФ (на креатин и фосфат) под влиянием фермента креатинкиназы обеспечивает ресинтез АТФ, яв­ляющейся источником энергии для мышечного сокращения:

Освободившийся креатин вновь используется клеткой для аккуму­ляции энергии в креатинфосфате. Этот эффект сохраняет концент­рацию АТФ в клетке на относительно постоянном уровне. Поэтому фосфокреатин клеток скелетной мышцы и ее АТФ составляют, так называемую, энергетическую фосфогенную систему. Энергия фосфо-

32

генной системы используется для обеспечения "рывковой" мышечной активности, продолжительностью до 10-15 секунд, т.е. максималь­ной мышечной мощности, достаточной для бега на 100-метровую дистанцию.