Пластинчатый комплекс

Пластинчатый комплекс (аппарат Гольджи) представляет собой специализированную часть мембранной системы клетки, которая выполняет интегративные функции по отношению к ПС и другим мембранным органоидам. Он состоит из диктиосом – стопок прилегающих друг к другу уплощенных цистерн, которые окружены одномембранными пузырьками различного размера и особой зоной гиалоплазмы. При наличии одной диктиосомы пластинчатый комплекс располагается всегда в определенном месте цитоплазмы около клеточного центра. Со стороны пластинчатого комплекса и клеточного центра в ядре обычно имеется инвагинация. В секреторных клетках животных, нейронах и некоторых растительных клетках пластинчатый комплекс может состоять из нескольких диктиосом.

Диктиосома содержит от 5 до 20 сильно уплощенных мембранных цистерн, связанных между собой по периферии сетью мембранных канальцев. Ее участок, состоящий из более тонких и коротких цистерн и обращенный внутрь цитоплазмы, называется проксимальным (ближним), а противоположный, представленный более мощными цистернами с расширениями на концах, называется дистальным (дальним). Проксимальный участок диктиосомы связан с мембранами ПС. Дистальный участок окружен множеством везикул. Зона гиалоплазмы вокруг диктиосомы содержит полирибосомы, которые синтезируют специфические для пластинчатого комплекса структурные белки и ферменты. Цитохимическим маркером мембранных структур пластинчатого комплекса являются гликозилтрансферазы.

Сетчатая форма пластинчатого комплекса представляет собой систему из нескольких диктиосом, которые связаны мембранными канальцами. Эта форма органоида характерна для нейронов, где он был впервые описан К. Гольджи под названием “внутренний сетчатый аппарат” (1898). Диффузная форма пластинчатого комплекса, которая отличается отсутствием связи между диктиосомами, встречается у растительных клеток.

Пластинчатый комплекс обеспечивает в клетке ряд важных процессов. В цистернах диктиосом происходит синтез полисахаридов и ковалентная сшивка их с молекулами белков, поступающих сюда из ПС. Поэтому пластинчатый комплекс хорошо развит в клетках, специализирующихся на синтезе и выделении полисахаридов и гликопротеидов – протеогликанов, ферментов, гормонов, антител, рецепторов и т. д.

Наряду с обеспечением анаболических процессов в секреторных клетках пластинчатый комплекс принимает участие и в катаболических процессах, являясь местом образования лизосом и пероксисом. Особенно хорошо эта функция выражена у макрофагов – клеток, которые специализируются на фагоцитозе. Макрофаги способны опознавать молекулярные продукты чужих геномов, разрезать их на пептиды и представлять для более точного распознавания другим клеткам иммунной системы. Тем самым они запускают сложную цепь реакций, обеспечивающих защиту организма от бактериальной или вирусной инфекции. Макрофаги также способны утилизировать погибшие клетки своего организма.

Несмотря на своеобразие морфо-функциональной специализации пластинчатого комплекса в различных типах клеток, этот органоид выполняет ряд универсальных функций, которые связаны с процессингом и секрецией белков. Белки подвергаются первичной посттрансляционной модификации непосредственно после их синтеза рибосомами гранулярной ПС. Например, к лизосомальным гидролазам присоединяются олигосахаридные цепи, состоящие из N-ацетилгликозамина, маннозы и глюкозы. Затем модифицированные белки транспортируются по канальцам ПС в цистерны проксимального участка пластинчатого комплекса. В клетках экзокринной части поджелудочной железы и бокаловидных клетках кишечника новые молекулы появляются в диктиосоме через 30 мин после начала синтеза белка. По мере продвижения белков от проксимального конца диктиосомы к дистальному концу с помощью специальных ферментов происходит их вторичная модификация – отщепление глюкозы и части молекул маннозы и дополнительное гликозилирование, фосфорилирование и сульфатирование. При этом характер модификации различен для лизосомальных гидролаз, белков секреторных гранул и гликопротеидов плазмолеммы. Например, к олигосахаридам секреторных гликопротеидов присоединяются галактоза и сиаловая кислота, тогда как олигосахариды лизосомальных гидролаз фосфорилируются.

В дистальном участке диктиосомы осуществляется пространственная сегрегация белков. Молекулярный механизм сегрегации основан на специфическом узнавании прикрепленных к белкам олигосахаридов встроенными в мембрану рецепторами. Опознание белков по олигосахаридным меткам происходит внутри цистерн диктиосомы. После накопления белка участки мембран отпочковываются, превращаясь в опушенные везикулы. Судьба содержащих белок опушенных везикул может быть различной. В случае лизосомальных белков опушенные везикулы теряют поверхностный белок клатрин и сливаются с эндосомами. Если же белок предназначен для выведения из клетки, возможны два сценария дальнейших событий. Первый из них, который характерен в основном для экзокринных желез, состоит в том, что опушенные везикулы сливаются между собой, формируя все более крупные вакуоли. По мере укрупнения вакуоли сдвигаются к плазматической мембране, сливаются с ней и выводят из клетки содержимое. Второй сценарий связан с формированием секреторных гранул и часто наблюдается в клетках эндокринных желез. В этом случае переносимые опушенными везикулами секреторные белки концентрируются в вакуолях, которые постепенно превращаются в плотные секреторные гранулы. У многих клеток наблюдается специфичность размеров и формы секреторных гранул.

Опушенные везикулы могут также транспортировать гликопротеиды от пластинчатого комплекса к плазмолемме для их последующего экспонирования на поверхности клетки. Многие опушенные везикулы, которые встроились в мембраны эндосом или плазмолемму, могут в дальнейшем отщепляться и возвращаться в пластинчатый комплекс. Тем самым обеспечивается рециклизация мембран и связанных с ними лиганд-рецепторных комплексов.

Пластинчатый комплекс может также специализироваться на синтезе полисахаридов. Например, в пластинчатом комплексе фибробластов синтезируются гликозаминогликаны - полисахариды, образующие аморфный компонент межклеточного вещества соединительной ткани. Гликозаминогликаны составляют значительную часть муцинов - слизистых веществ, секретируемых клетками животных и растений. Хорошо изученным примером таких клеток являются бокаловидные клетки кишечника. У растений в пластинчатом комплексе синтезируются гемицеллюлозы и пектины - полисахариды, входящие в состав клеточной стенки.

Лизосомы

Лизосомыпредставляют собой пузырьки диаметром от 100 нм до нескольких микрометров, которые обнаруживаются в цитоплазме клеток простейших, растений и животных. Они содержат широкий набор гидролитических ферментов, способных расщеплять любые биогенные вещества – белки, нуклеиновые кислоты, углеводы и липиды. Состав и количество лизосомальных гидролаз обладает видовой и тканевой специфичностью. Морфологически лизосомы неоднородны и претерпевают различные изменения при слиянии с другими органоидами. Для идентификации лизосом используется реакция на кислую фосфатазу.

Если приготовить гомогенат клеток печени и определить в нем активность кислой фосфатазы, то она окажется низкой. При обработке гомогената ультразвуком либо повторяющимися циклами замораживания-оттаивания активность фермента резко повышается. Объясняется это тем, что при обработке гомогената нарушается целостность мембран, гидролазы выходят из лизосом и активируются. Следовательно, гидролазы находятся в лизосомах в неактивном, латентном состоянии. Изучение явления латентности гидролаз и привело бельгийскго биохимика К. де Дюва к открытию лизосом (1955).

Латентность лизосомальных гидролаз обусловлена рядом факторов. Прежде всего, она объясняется наличием мембраны, которая препятствует взаимодействию ферментов с субстратами. Часть гидролаз встроено в мембрану и блокировано за счет связи с липидами. Другая часть ферментов инактивирована углеводами мембраны и матрикса. Кроме того, внутренняя среда лизосомы сильно закислена, тогда как максимальная активность гидролаз проявляется в слабо кислой среде.

Лизосомальная мембрана способна удерживать в органоиде не только ферменты, но и макромолекулярные субстраты. Низкомолекулярные продукты распада (свободные аминокислоты, сахара, нуклеотиды) выходят из лизосомы в гиалоплазму с помощью встроенных в мембрану специальных транспортных белков.

Морфологически лизосомы подразделяют на четыре типа – первичные лизосомы, вторичные лизосомы, аутофагосомы и остаточные тельца.

Первичные лизосомы образуются в пластинчатом комплексе в виде одномембранных пузырьков с бесструктурным содержимым. Они служат для временного хранения и инактивации гидролаз. Первичные лизосомы способны перемещаться в цитоплазме с помощью микротрубочек, а также сливаться с эндосомами и плазмолеммой. Диаметр их составляет 100-500 нм.

Вторичные лизосомы (фаголизосомы, пищеварительные вакуоли) образуются в результате слияния первичных лизосом с фагоцитарными или пиноцитозными вакуолями. При этом наблюдается активация лизосомальных гидролаз, распад поступивших в клетку веществ и выведение низкомолекулярных веществ в гиалоплазму для включения в метаболические процессы клетки. Морфологически вторичные лизосомы отличаются от первичных лизосом более крупными размерами и наличием фагоцитируемого материала.

Аутолизосомы морфологически почти идентичны вторичным лизосомам, отличаясь только тем, что содержат внутри митохондрии, пластиды, рибосомы, включения и другие органоиды клетки или их фрагменты. Поэтому они рассматриваются как специальные органоиды, обеспечивающие аутофагоцитоз. Это явление наблюдается в клетках растений и животных, например, при физиологической регенерации внутриклеточных структур и гидролизе запасных питательных веществ.

Остаточные тельца (телолизосомы) представляют собой лизосомы с уплотненным структурированным материалом. Они содержат меньше гидролаз и служат местом накопления липидов, пигментов и других продуктов метаболизма.

Лизосомы представляют особый тип мембранного органоида, который осуществляет в клетке процессы распада. В специализированных клетках лизосомы могут обеспечивать внутриклеточное пищеварение, защиту от микроорганизмов и их продуктов, реконструкцию клетки. При осуществлении этих функций лизосомы взаимодействуют с другими мембранными органоидами – ПС, пластинчатым комплексом, эндосомами, включениями и плазмолеммой.

Функция внутриклеточного пищеварения, которое осуществляется с помощью лизосом, особенно выражена у простейших и беспозвоночных. Пищеварительные клетки имеются, например, в кишечном эпителии у моллюсков и клещей. Они содержат стабильные пиноцитозные вакуоли, которые постоянно снабжаются лизосомальными ферментами.

Защитная роль клеток-фагоцитов была обнаружена И. И. Мечниковым у беспозвоночных еще в конце XIX в. У позвоночных он описал два типа фагоцитов: микрофаги и макрофаги. В цитоплазме микрофагов содержится большое количество упакованных в мембрану гранул, которые представляют собой не что иное, как разновидность первичных лизосом. При активации клетки из них выходят гидролазы, которые разрушают внеклеточные субстраты. Микрофаги также способны к ограниченному фагоцитозу бактериальных клеток. К микрофагам у млекопитающих относятся нейтрофильные гранулоциты крови, которые обеспечивают защиту организма от бактерий. Макрофаги отличаются крупными размерами, способностью к амебоидному движению и активному фагоцитозу. Они содержат интенсивно функционирующие вторичные лизосомы, которые, кроме полного разрушения поступающих извне веществ, участвуют также в частичном протеолизе белковых антигенов для их последующего представления другим иммунокомпетентным клеткам. У млекопитающих к макрофагам относятся моноциты крови, которые после выхода из капилляров превращаются в гистиоциты соединительной ткани, альвеолярные и перитонеальные макрофаги, остеокласты костной ткани, клетки Купфера в печени и другие формы тканевых макрофагов.

Реконструктивная функция лизосом широко распространена как у животных, так и у растений. Она заключается в ограниченной аутофагии цитоплазматических структур для регуляции обмена веществ, развития тканей и органов, а также в условиях недостатка энергии и питательных веществ. Примерами могут служить гидролиз запасных питательных веществ при прорастании семян, частичный протеолиз тироглобулина эпителиальными клетками щитовидной железы с образованием гормонов трийодтиронина и тироксина, разрушение межклеточных контактов при физиологической регенерации ороговевающего эпителия. Особенно отчетливо эта функция лизосом проявляется в разрушении ими цитоплазматических структур в условиях голодания (эндогенное питание).

Значение лизосом для нормального функционирования организма человека подчеркивается существованием “болезней накопления”, которые обусловлены мутациями, полностью или частично нарушающими работу лизосомальных гидролаз. В результате в лизосомах наблюдается избыточное накопление соответствующих субстратов, что приводит к изменению размеров, формы и тонкой структуры этого органоида. При болезни Уолмена, например, отсутствует кислая липаза, что приводит к накоплению в лизосомах эфиров холестерина и триглицеридов и формированию липидных включений. Болезнь Помпа связана с недостатком гликозидазы, что вызывает накопление гликогена. Особенно тяжелым заболеванием является псевдохерлерова дистрофия, при которой в фибробластах отсутствуют почти все лизосомальные ферменты, кроме протеаз. В результате блокируется обмен таких компонентов соединительных тканей как протеогликаны и сложные липиды.