Клетка и ее функции n Клеточная теория Общие принципы строения клетки n Общие функции клеток n n Специфические функции клеток n Потенциал покоя клетки n Потенциал действия
“Элегантность природы в том, что она следует довольно простым законам, - достаточно их понять, и вы будете знать, как работает клетка”. Брюс Липтон “Биология веры” 2008 г.
n Клетка – структурнофункциональная единица органа (ткани), способная самостоятельно существовать, выполнять специфическую функцию в малом объеме, расти, размножаться, активно реагировать на раздражение.
Общие принципы строения клетки n n n Внутреннее содержимое клетки отделено от внешней среды мембраной, которая называется плазматической мембраной. Необходимые для клетки метаболиты образуются из компонентов пищи при участии внутренних энергетических систем. Генетический материал содержит всю информацию необходимую для образования всех компонентов клетки.
Генетическая информация реализуется при экспрессии генов. Экспрессия гена – совокупность молекулярных процессов, ведущих к синтезу того или иного химического вещества на основании информации, закодированной в этом гене. n Индивидуальные белки кодируются соответствующими генами и после синтеза могут собираться в более крупные структуры n
Минимально необходимые компоненты клетки n Клетка содержит геном, кодирующий строение всех структур, аппарат для экспрессии генетической информации, систему использования энергии и плазматичнескую мембрану, контролирующую взаимодействие клетки с окружающей средой.
Общие функции клеток n n n Энергетическая функция клетки Транспортная функция клетки Рецепторная функция Размножение Биосинтетическая функция Детоксикационная функция клетки
Специфические функции клеток : n Секреторная ( эндокринная с-ма, жкт ) n Сократительная (мышечные клетки) n Генерация нервного импульса(нейрон) n Опорная (клетки соединительной ткани) n Газообменная (эритроциты) n Защитная (клетки иммунной системы)
Энергетическая функция клетки. n Функция осуществляется в митохондриях и цитозоле n Универсальным веществом является АТФ- его называют общий интермедиат
Два пути образования АТФ n В цитозоле эукариотических клеток и у бактерий. При этом в результате гликолиза происходит распад глюкозы с образованием пирувата и образуется две молекулы АТФ, процесс анэробный
Второй путь n В митохондриях эукариотических клеток путем окислительного фосфорилирования и осуществляется с участием электронтранспортной цепи. При окислении одной молекулы глюкозы с участием митохондрий реально образуется 27 молекул АТФ.
Транспортная функция клетки n Осуществляется за счет клеточной или плазматической мембраны. n Клеточная мембрана - внешняя оболочка клетки, образующая замкнутое пространство, содержащее протоплазму
История открытия n. В 1972 г. Сингер и Николсон предположили жидкостномозаичную модель мембраны, согласно которой белковые молекулы, плавающие в жидком липидном бислое, образуют в нём как бы своеобразную мозаику.
n Мембрана представляет собой тонкую, гибкую и эластичную структуру толщиной всего 7, 5 -10 нм. n Химический состав мебраны: белки-55%, фосфолипиды -25%, холестерол -13%, другие липиды -4%, углеводы -3%.
Plasmalemma
Функции липидов мембраны n n n Барьерная Транспортная Регуляторная- образование вторичных посредников – инозитолтрифосфата и др. Создание микроокружения белков Создание сопротивления, емкости и текучести мембраны
Белки клеточных мембран: n интегральные, которые пронизывают мембрану насквозь; n периферические, которые выступают только над одной ее поверхностью, не достигая другой
Химический состав
Функции интегральных белков мембраны n Являются переносчиками n Ионными каналами и насосами n Ферментами n Циторецепторами n Участвуют в образовании клеточных контактов
Виды и механизмы транспортных процессов n Пассивный транспорт – по электрохимическому градиенту 1. Простая диффузия а) через липидный бислой: О 2, N 2, этанол, Н 2 О, эфир, мочевина, глицерин, CO 2, аммиак б) с участием ионных каналов: Na, K, Ca, Cl
2. Облегченная диффузия – для переноса более крупных полярных молекул с использованием белков переносчиков: глюкоза, аминокислоты Этот вид диффузии характеризуется специфичностью, большей скоростью, регулируется с помощью гормонов (например, инсулином при транспорте глюкозы)
n Активный транспорт - (против электрохимического градиента с увеличением энергии транспортируемого вещества) 1. Первично-активный – используя энергию АТФ и осуществляется ионными насосами: К-Na, Ca, белок которых обладает свойствами как переносчика, так и фермента АТФ-азы 2. Вторично-активный - используется энергия градиента какого-либо иона (чаще Na)транспортируется глюкоза.
n Микровезикулярный транспорт – служит для переноса через мембрану крупномолекулярных белков: 1. эндоцитоз (пиноцитоз и фагоцитоз) 2. экзоцитоз используется для выделения из клеток “белков на экспорт” -медиаторов, ферментов
Транспорт
Химический состав n Большая часть белков и липидов, входящих в состав мембраны, способны перемещаться, главным образом в плоскости мембраны. n Кроме бокового движения, каждый липид крутится вокруг своей оси.
Функции углеводов мембраны n. В составе гликопротеинов и гликолипидов участвуют : в рецепции клетки в реакциях клеточного иммунитета
Циторецепторы
Рецепторная функция клетки n Виды рецепторов мембраны клетки: 1. ионотропные (рецепторы – каналы) расположены в области синапсов, участвуют в передаче возбуждающих и тормозных влияний (Нхолинорецепторы, ГАМК-рецепторы, глутаматные, глициновые рецепторы
2. Метаботропные рецепторы – связаны с G- белком мембраны. Через них действует 80% гормонов и медиаторов, которые плохо проникают в клетку и формируют внутриклеточные эффекты с помощью вторичных посредников.
n Рецепторы ядра клетки – стимулируются стероидными и тиреоидными гормонами, витаминами D 3 и А
Биоэлектрический потенциал – это электрический потенциал плазматической мембраны клетки, источником которого являются электрохимические градиенты различных ионов. Различают: 1. Мембранный потенциал покоя (МПП стационарный) 2. Потенциал действия – быстрое изменение МПП при возбуждении.
1. Мембранный потенциал покоя (МПП) – разность электрических потенциалов между внешними и внутренними средами клетки в состоянии покоя; 2. МПП равен -9 -100 м. В; 3. МПП – основа возникновения потенциала действия;
K⁺ внутри клетки больше в 40 -50 раз Na⁺ снаружи клетки больше в 8 -12 раз Cl⁻ снаружи клетки больше в 30 -40 раз В состоянии покоя проницаемость мембраны клетки: Р калия: Р натрия: Р хлора = 1 : 0, 04 : 0, 45
Калий-натриевый насос снаружи 3 Na+ мембрана 2 К+ мембрана АТФ внутри До 25% от общей величины МПП (процесс активный)
Потенциал действия (ПД) – импульсное возбуждение, возникает в ответ на пороговые или сверхпороговые раздражители. Представляет собой изменение МПП, которые возникают в месте нанесения раздражения и распространяются на всю мембрану клетки. В основе возбуждения лежит изменение проницаемости мембраны для калия и натрия, связанное с активацией потенциалзависимых натриевых каналов.
Уменьшение величины МПП называют деполяризацией, увеличение —гиперполяризацией, восстановление исходного значения МПП —реполяризацией мембраны
МПД= P K+ : P Na+ : P Cl-= 1 : 20 : 0, 45.
n Плазмолемма, среди различных клеточных мембран занимает особое место. Это поверхностная периферическая структура, не только ограничивающая клетку снаружи, но и обеспечивающая ее непосредственную связь с внеклеточной средой.
Химический состав n Большая часть белков и липидов, входящих в состав мембраны, способны перемещаться, главным образом в плоскости мембраны. n Кроме бокового движения, каждый липид крутится вокруг своей оси.
Химический состав n По своему расположению относительно липидного бислоя мембранные белки разделяются на две основные группы – интегральные и периферические.
История открытия
История открытия n О наличии пограничной мембраны между клетками и окружающей их средой предполагали задолго до появления электронного микроскопа n В 1890 году Пфеффер подтвердил существование мембраны
История открытия Овертон предположил, что клеточная мембрана содержит большое количество липидов; вещества растворяются в ней, проходя сквозь неё, и оказываются по другую сторону мембраны. n В 1925 г. Гортер и Грендел выделили липиды из клеточной мембраны, вызвав разрушение эритроцитов и отделив их мембраны от клеточного содержимого. n
История открытия Изучение натяжения и гибкости пограничного слоя клетки позволило заключить, что в клеточной мембране содержится также белок. n Наружная цитоплазматическая мембрана как животных, так и растительных клеток выглядит именно как трехслойная (триламинарная) структура. n
Химический состав Наружная клеточная мембрана, по современным представлениям, имеет толщину около 10 нм (10 -9 м), и состоит из трех частей: n 1) собственно мембрана; n 2) надмембранный слой – гликокаликс; n 3) субмембранный (подмембранный) слой. n
Химический состав n n Липидный бислой представлен преимущественно: фосфолипидами (глицерофосфатидами), сфингомиелинами и из стероидных липидов — холестерином (холестеролом).
Химический состав Свойство молекулы иметь в своем составе как гидрофильные, так и гидрофобные группы, называется амфифильностью. n Амфипатический характер липидов мембраны способствует самопроизвольному образованию липидного бислоя, в котором гидрофобные «хвосты» обращены внутрь, а гидрофильные «головки» – наружу. n Липидный бислой стабилизируется силами гидрофобного взаимодействия n
Химический состав
Химический состав n Атомы углерода, образующие двойные связи, не могут свободно вращаться, поэтому они занимают фиксированную позицию и создают изгибы ( «изломы» ) в углеводородной цепи. n Сфинголипиды, производные С 18 аминоспиртов, – второй основной тип мембранных липидов. Наиболее распространенные сфинголипиды – это церамиды.
Химический состав
Химический состав
Химический состав
Химический состав В двойной слой липидов на различную глубину погружены мембранные белки, составляющие более 50% массы мембраны. n Мембранные белки обеспечивают специфические свойства мембраны. n
Химический состав
Химический состав n Углеводные участки гликолипидов и гликопротеинов придают поверхности клетки отрицательный заряд и образуют основу надмембранного слоя — гликокаликса (glykocalyx).
Химический состав
Химический состав
Асимметрия Трансмембранная асимметрия означает, что разные половины бислоя имеют разный состав. Установлено, что интегральные мембранные белки встроены в мембрану асимметрично и эта асимметрия стабильна. n Имеются данные и о латеральной гетерогенности биологических мембран. Это могут быть достаточно обширные специализированные участки мембраны. n
Функции n Благодаря барьерной функции мембраны, в клетке создается гетерогенная физико-химическая среда, и на разных сторонах мембраны происходят разнообразные, часто противоположно направленные биохимические реакции. n Наряду с барьерной функцией мембрана осуществляет и трансмембранный перенос ионов и различных метаболитов в ходе пассивного или активного транспорта.
Функции n Осмотическая функция мембраны связана с регуляцией водного обмена клетки. Благодаря структурной функции поддерживается основа мембран и упорядоченно располагаются полиферментные комплексы, контактирующие с фосфолипидами. n Энергетическая функция мембран определяется аккумуляцией и трансформацией энергии.
Функции n Биосинтетическая функция связана с синтезами различных веществ. n Рецепторно-регуляторная функция определяется наличием в мембране хемо-, фото- и механорецепторов белковой природы. n Также плазмолемма участвует в межклеточных взаимодействиях.
Транспорт n Основная функция любой биологической мембраны состоит в создании барьера с селективной проницаемостью. Так, выполняя транспортную функцию, плазмолемма обеспечивает пассивный перенос ряда веществ, например воды, ионов, некоторых низкомолекулярных соединений. Другие вещества проникают через мембрану путем активного переноса против градиента концентрации с затратой энергии за счет расщепления АТP.
Транспорт n Тонкий гидрофобный центральный слой в мембране является очень эффективным барьером для неорганических ионов, но в той или иной степени проницаем для неполярных веществ. n Липидный бислой является довольно хорошим барьером для неорганических ионов.
Транспорт Органические ионы или органические хелатные комплексы, содержащие неорганические ионы, могут растворяться в углеводородной области бислоя благодаря своим гидрофобным свойствам и большим размерам. n Существование зарядов на поверхности мембраны создает дополнительный поверхностный потенциал, который может весьма существенным образом изменять концентрацию любого заряженного соединения в непосредственной близости от мембраны. n
Химический состав
Транспорт n Транспорт большинства растворимых молекул через биологические мембраны опосредуется переносчиками или канальными белками. Каналы облегчают транспорт ионов через мембрану, и перенос через них осуществляется очень быстро (106 – 108 ион/с на один канальный белок). n Пассивные переносчики просто облегчают диффузию веществ через мембрану, в то время как активные использую энергию для транспорта веществ против концентрационного градиента.
Транспорт n При облегченной диффузии переносчик, функционирующий в клеточной мембране, на одной стороне мембраны соединяется с молекулой и ионом, а на другой стороне – отдает их, пройдя с ними вместе короткий путь через мембрану. Клетка не расходует на это никакой энергии, если не считать энергию, затраченную на само образование переносчика.
Транспорт n В отличие от облегченной диффузии активный транспорт – это перемещение веществ против градиентов концентрации; вещества переходят при этом из той области, где их концентрация ниже, туда где она и без того уже высока. Поскольку такое перемещение происходит в направлении противоположном нормальной диффузии, клетка должна при этом затрачивать энергию.
Транспорт Осмосом называют прохождение воды через избирательно проницаемую мембрану, в частности через клеточную мембрану. В случае клеточной мембраны осмос частично обусловлен диффузией отдельных молекул воды сквозь эту мембрану, а частично – током воды через особые поры в мембране. n Не обладая способностью насасывать или откачивать воду непосредственно, клетки регулируют приток и отток воды, изменяя концентрацию находящихся в них растворенных веществ. Так работает эта система до тех пор, пока концентрация растворенных веществ вне клетки и в клетке примерно одинакова. n
Транспорт n Крупные молекулы биополимеров практически не проникают сквозь плазмолемму. В ряде случаев макромолекулы и даже их агрегаты, а часто и крупные частицы попадают внутрь клетки в результате процессов эндоцитоза. Эндоцитоз формально разделяют на фагоцитоз и пиноцитоз.
Транспорт n Плазмолемма принимает участие в выведении веществ из клетки (экзоцитоз). В этом случае внутриклеточные продукты, заключенные в вакуоли или пузырьки и отграниченные от гиалоплазмы мембраной, подходят к плазмолемме. В местах контактов плазмолемма и мембрана вакуоли сливаются и содержимое вакуоли поступает в окружающую среду.
ЦИТОРЕЦЕПТОРЫ
Циторецепторы Взаимодействия клетки с её окружением осуществляется при участи специальных структур, локализованных на плазмолемме – рецепторов. Функции этих рецепторов существенно различаются. Одни из них определяют адгезивные свойства клеток по отношению к другим клеткам или компонентам внеклеточного матрикса. Другие участвуют в системах сигнал/ответ или в импорте макромолекул в цитоплазму. n Существуют рецепторы к биологически активным веществам — гормонам, медиаторам, к специфическим антигенам разных клеток или к определенным белкам или даже к целым клеткам. n
Циторецепторы Сравнение аминокислотной последовательности рецепторов показывает, что многие из них могут быть сгруппированы в суперсемейства структурно родственных, но функционально различающихся белков. Например, многие рецепторы, участвующие в межклеточной адгезии, принадлежат к суперсемейству иммуноглобулинов Ig. G. n Интегрины, составляют другое суперсемейство, включающее в себя множество рецепторов для внеклеточных компонентов матрикса. n
Циторецепторы Рецепторами на поверхности клетки могут служить гликопротеиды и гликолипиды мембран. Считается, что такие чувствительные к отдельным веществам участки могут быть разбросаны по всей поверхности клетки или собраны в небольшие зоны. n В соответствии с современными представлениями об асимметрическом строении плазмолеммы рецепторные макромолекулы могут находиться на её поверхности, пронизывать всю толщу мембраны или находиться с внутренней стороны мембраны. n
Циторецепторы
Циторецепторы n Рецептор, который связывается с таким внеклеточным лигандом, как гормон или нейромедиатор, и опосредует клеточный ответ, осуществляет это одним из нескольких способов. В одних случаях рецептор сам является протеинкиназой, а в других он образует ионный канал. Связывание лиганда с внеклеточным участком рецептора изменяет эти функции, инициируя какскад событий в цитоплазме.
Циторецепторы n В других случаях рецептор связывается с G -белком (гуанидиннуклеотидсвязывающим белком) и активирует его в цитоплазме в ответ на внешний сигнал. G-белок влияет на другие клеточные процессы, такие, как деградация фосфатидилинозитола в клеточной плазматической мембране. Рецепторы, которые взаимодействуют с G-белками, образуют одно из нескольких суперсемейств рецепторов, участвующих в системах сигнал/ответ.
Циторецепторы
Циторецепторы n n n В соответствии со своей локализацией рецепторы делятся на поверхностные и внутриклеточные, а внутриклеточные подразделяются на цитоплазматические и ядерные. Поверхностные рецепторы образованы поверхностными белками цитомембран, а также гликокаликсом. Они предназначаются для полярных лиганд. Подразделяются на каталитические рецепторы, связанные с ионными каналами, рецепторы, связанные с G-белками, и рецепторы, связывающие молекулы внеклеточного матрикса с цитоскелетом.
Циторецепторы n Рецепторные белки и углеводные участки часто связаны с ферментами (каталитические рецепторы). Такие рецепторные белки являются трансмембранными и состоят из рецепторного и каталитического участков. n Мембранные рецепторы могут изменять проницаемость мембран для ионов, что ведет к формированию электрического импульса (рецепторы к нейромедиаторам). Это так называемые рецепторы, связанные с ионными каналами.
Циторецепторы
Циторецепторы n Рецепторы также контролируют поступление в клетку различных молекул, связывают молекулы внеклеточного матрикса с компонентами цитоскелета. К таким рецепторам относят, например, интегрины. Они относятся к молекулам адгезии клеток (МАК). n Интегрины – трансмембранные белки, воспринимающие молекулы внеклеточного матрикса, в частности, фибронектина и ламинина.
Циторецепторы Особый вид поверхностных рецепторов – рецепторы, связанные с G-белками. Это трансмембранные белки, которые могут быть связаны либо с ионным каналом, либо с ферментом. Состоят из двух частей: рецепторной и субъединиц G-белка , , . n После связывания с сигнальной молекулой комплекс G-белков передает сигнал на ассоциированный с цитолеммой фермент аденилатциклазу, которая синтезирует вторичный посредник циклический аденозинмонофосфат (ц. АМФ). n
МОЛЕКУЛЫ АДГЕЗИИ КЛЕТОК n Адгезия – процесс взаимодействия специфических гликопротеинов, соприкасающихся плазматических мембран, распознающих друга клеток или клеток и внеклеточного матрикса.
МОЛЕКУЛЫ АДГЕЗИИ КЛЕТОК Все молекулы клеточной адгезии подразделяются на 5 классов. n 1. Кадгерины. n 2. Интегрины. n 3. Селектины. n 4. Семейство иммуноглобулинов. n 5. Гоминговые молекулы.
МОЛЕКУЛЫ АДГЕЗИИ КЛЕТОК Aдгезия является важным звеном клеточной рецепции, играет большую роль в межклеточных взаимодействиях и взаимодействиях клеток с внеклеточным матриксом. n Адгезионные процессы абсолютно необходимы при таких общебиологических процессах, как эмбриогенез, иммунный ответ, рост, регенерация и др. n
Циторецепторы Опосредованный рецепторами эндоцитоз А. Лиганды связываются с рецепторами. Б. Загруженные лигандами рецепторы собираются в области «окаймленных» углублений. В. «Окаймленное» углубление превращается в глубокую инвагинацию. Г. Инвагинация отделилась, превратившись в «окаймленную» везикулу, которая находится в процессе сбрасывания своего окаймления
Циторецепторы
ВЛИЯНИЕ СТРЕССОВЫХ ВОЗДЕЙСТВИЙ НА СТРУКТУРУ И ФУНКЦИИ МЕМБРАН (на примере мембран растений)
Стрессовые воздействия n Неспецифические реакции клетки на стрессовые воздействия в значительной степени определяются изменениями мембранного аппарата. Стабильность клеточных мембран рассматривается как интегральный фактор устойчивости к неблагоприятным условиям среды. n Комплекс неспецифических изменений организма, как известно, называется стрессом, а сами факторы – стрессорами.
Стрессовые воздействия n Мембраны первыми подвергаются действию стрессовых факторов. Они представляют собой мишени первичного воздействия и первую линию защиты от него!
Стрессовые воздействия n Повышается проницаемость мембран, происходит деполяризация мембранного потенциала плазмалеммы, р. Н (кислотность) цитоплазмы сдвигается в кислую сторону. Возрастает активность Н+-помпы в плазмалемме и тонопласте, усиливается сборка актиновых микрофиламентов и сетей цитоскелета, следствием чего является повышение вязкости цитоплазмы. Увеличивается уровень перекисного окисления липидов (ПОЛ). Затраты АТР на поддержание структуры и обмена веществ возрастают.
Стрессовые воздействия n Нарастает скорость процессов гидролиза, и тормозится синтез белка. n Сдвиги в функциональной активности мембран сопровождаются перестройками в их структуре.
Стрессовые воздействия n Структурные перестройки в мембранах в значительной мере касаются липидов. При действии стрессора могут происходить сдвиги в соотношении различных групп жирных кислот, изменяется степень их ненасыщенности. n Локальные изменения липидного состава мембран представляют собой один из механизмов аллостерического контроля над деятельностью отдельных групп ферментов.
Стрессовые воздействия n Регуляторную роль в клеточном метаболизме играют и белки мембран. Они осуществляют регуляцию конформационных изменений мембран. n Структурные изменения в мембранах под влиянием неблагоприятных воздействий касаются и освобождения из связанного состояния ионов Ca 2+, образующего мостики между карбоксильными группами белков и полярными головками фосфолипидов.
Стрессовые воздействия При значительной деструкции клеточных компонентов в результате стрессового воздействия поток кальция из апопласта в цитоплазму резко возрастает. Вслед за этим «лишний» кальций выводится из цитоплазмы. Однако даже кратковременного повышения его концентрации достаточно, чтобы запустить специфические мембранные каналы и транспортные системы. n Для устойчивости растений к стрессовым факторам внешней среды важно сохранение целостности мембран. n
Стрессовые воздействия n Причины возрастания проницаемости мембран разнообразны. Их связывают с изменением отношения Н+/Ca 2+ в мембранах. n Стабилизатором клеточных мембран являются ионы Ca 2+. В присутствии кальция происходит увеличение электрического сопротивления мембран. Он оказывает влияние на проницаемость мембран для других ионов, участвует в регуляции транспорта воды.
Стрессовые воздействия n Таким образом, в устойчивости растений к неблагоприятным воздействиям фундаментальную роль играют клеточные мембраны, интегрирующие действие различных факторов.
РОЛЬ КЛЕТОЧНЫХ МЕМБРАН В СТАРЕНИИ КЛЕТОК
Роль мембран в старении клеток n «Мембранная гипотеза старения» был разработана в 1976 -1977 гг. и опубликована впервые в 1978 г. (Zs. -Nagy, 1978). Основывается она как на достижениях геронтологии, так и на физико-химических основах клеточных функций. n Содержание внутриклеточного K+ может увеличиваться, если клеточная мембрана становится относительно менее проницаемой для него.
Роль мембран в старении клеток n Увеличение внутриклеточного K+ помогает достичь состояния возбуждения на мембранах старых клеток, иначе мембраны будут деполяризованы постоянно. n Такая компенсация функций измененной мембраны очень вредна для дальнейшей судьбы клетки, так клеточные коллоиды становятся более конденсированными и количество цитоплазматической воды уменьшается.
Роль мембран в старении клеток n Во внутриклеточной среде повышенной вязкости скорости синтеза РНК и белка должны уменьшиться, уменьшается также скорость элиминации поврежденных клеточных компонентов. n Свободные радикалы образуются в различных биохимических процессах, прежде всего в процессе митохондриального дыхания.
Роль мембран в старении клеток n Специфические механизмы, подобные супероксиддисмутазе, предохраняют клеточные компоненты от вредных свободных радикалов. n Уменьшение скорости замены поврежденных компонентов приводит к старению.
