Принципи структурно-функціональної організації еукаріотичної клітини Молекулярна організація

Принципи структурно-функціональної організації еукаріотичної клітини

Молекулярна організація і біологічні функції мембран Клітинні мембрани – це надмолекулярні утворення товщиною 8 -10 нм, які є пограничними областями клітин та оточують внутріклітинні утворення, поділяючи клітину на окремі компартменти.

Рідинно-мозаїчна модель мембрани. Запропонована Сінгером і Нікольсоном у 1972 р.

Ліпіди • • • Основна маса ліпідів у мембрані представлена фосфоліпідами: фосфатидилетаноламінами (ФЕ), фосфатидилхолінами (ФХ), фосфатидилсеринами (ФС), кардіоліпіном, фосфатидилінозитолами, гліко- та сфінголіпідами і стеринами. ФЕ і ФХ складають у мембранах 65 – 85 % усіх ліпідів. У плазматичних мембранах високий вміст стеринів – холестеролу в тварин і ергостеролу в рослин.

Фосфоліпіди

Принципструктурної організаціїліпідного бішару.

Холестерол з фосфоліпідами

Мінорні ліпіди. • • • До них відносяться: Убіхінони і механохінони. Ретинол. Моноацил- і діацилгліцероли. Вільні жирні кислоти. Лізофосфоліпіди. Та ін.

Основні функції мембранних ліпідів: • • • виступають як структурний матеріал біомембран; утворюють бар’єр проникності для водорозчинних речовин; беруть участь в рецепції біологічно-активних речовин; визначають активність мембранозв’язаних ферментів; беруть участь в передачі гормональних та нервових сигналів до клітини; • відіграють важливу роль в окисному фосфорилюванні (особливо кардіоліпін мітохондрій); • інактивують ряд токсинів (холерний, дифтерійний, правцевий); • гліколіпіди визначають низку імунних властивостей клітини та ін.

Ліпосоми • Вперше виявлені у 1964 р. А. Бенгхемом • Це бішарові замкнені сферичні пухирці, утворені із амфіпатичних сполук (напр. , фосфоліпідів). При взаємодії з водними розчинами ці речовини самоорганізуються у двошарові замкнені мембрани; в процесі утворення ліпосом у них можна включати різні сполуки (неорганічні іони, низькомолекулярні органічні сполуки, великі білки, нуклеїнові кислоти). • За кількістю концентричних бішарів: моноламелярні (1) і мультиламелярні везикули (десятки-сотні бішарів, розмір – 50 мкм) • За розміром везикул – малі (200 – 500 Å) і великі (500 – 5 000Å) моноламелярні везикули • За формою – не завжди сферичні

Види ліпосом: • 1 – малі моноламелярні везикули (ММВ); 2 – оліговезикулярні ліпосоми (ОВЛ); 3 – великі моноламелярні везикули (ВМВ); 4 – мультиламелярні везикули (МЛВ); 5 - оліговезикулярні ліпосоми (ОВЛ); 6 – дискоми (дископодібні ліпосоми); 7 – тубулярні (трубчасті) везикули.

Моделі структури ліпосоми Мультиламелярні ліпосоми: багато фосфоліпідних бішарів із водним середовищем між ними

Основні способи включення різних речовин в ліпосоми. Водорозчинні речовини включаються в ліпосоми в процесі їх утворення. Гідрофобні молекулии можна включати в ліпідний бішар (1) або адсорбувати (чи хімічно зв’язувати) речовини на поверхню ліпосоми (2).

Схема " ліпосоми–невидимки ". Вона сформована на 90 % із фосфатидилетаноламіну і на 10 % із кон’югату "фосфатидилетаноламін–поліетиленгліколь". Така гідрофільна "шуба" гальмує адсорбцію антитіл (А) й інших захисних білків (Р) на поверхні таких ліпосом. Через це макрофаги не сприймають їх як чужі частинки.

Ліпосоми: електронна фотографія

Застосування ліпосом Ліпосоми як і біологічні мембрани є замкнутими системами, що робить їх придатними для вивчення трансмембранного транспорту речовин, у них легко змінювати ліпідний склад, включати в їх склад мембранні білки (тоді вони називаються протеоліпосомами) і моделювати не тільки транспортні, а й ферментативні і рецепторні функції клітинних мембран. У ліпосоми вводять антитіла (або ковалентно приєднують їх) і використовують в імунологічних дослідженнях. Їх використовують для доставки лікувальних речовин, пептидів і білків та нуклеїнових кислот. А це є перспективним в хіміотерапії раку, лікуванні діабету, артриниту, лейшманіозу, корекції ферментативної недостатності і дефектів клітинних мембран, в генній інженерії та біотехнології.

Мембранні білки Різні способи асоціації мембранних білків з ліпідним матриксом мембрани: 1 - інтегральний білок; 2 - електростатичне зв’язування периферичного білка з головками фосфоліпідів; 3 - гідрофобне зв’язування периферичного білка за межами гідрофільних ліпідних голівок; 4 – вбудовування інтегрального білка коротким кінцевим фрагментом; 5 – інтегральний білок з однією трансмембранною αспіраллю; 6 - інтегральний білок з більш ніж однією трансмембранною α-спіраллю; 7, 8 – периферичні білки, зв’язані з мембраною через жирну кислоту і через фосфатидилінозитол.

Периферійні білки Інтегральні білки

монотопні білки – білки, які мають одну трансмембранну ділянку. Більшість з них є рецепторами, які зовнішньоклітинним доменом розпізнають зовнішньоклітинний сигнал, трансмембранним доменом вбудовані в ліпідний бішар мембрани, внутрішньоклітинний же домен містить каталітичний, або "активуючий" центр. Інколи рецептор "збирається" з декількох монотопних білків, здатних переміщуватися у площині мембрани та групуватися з утворенням одного рецептора з одним механізмом сприйняття зовнішньоклітинного сигналу та його передачі в середину клітини. Трансмембранні білки, які мають більше ніж одну трансмембранну ділянку, тобто більше одного разу перетинають ліпідний бішар, називапються політопними. Переважна кількість їх належить до групи рецепторів, які активують каскад хімічних реакцій, що забезпечують передачу зовнішньоклітинного сигналу середину клітини.

Вуглеводні компоненти мембран представлені складними сполуками гліколіпідами, глікопротеїдами і кислими мукополісахаридами.

Транспорт через мембрану І. Пасивний транспорт – це рух невеликих неполярних (О 2, N 2) та невеликих полярних (Н 2 О, СО 2) молекул, в обох напрямках за градієнтом концентрації та електрохімічним градієнтом, без затрат енергії, характеризується низькою специфічністю. ІІ. Полегшена дифузія – це дифузія речовин за участю компонентів мембрани (каналів та/ або білків-переносників), відбувається найчастіше в одному напрямку, в клітину, за градієнтом концентрації, без затрат енергії, виявляє специфічність по відношенню до молекул, що транспортуються Білки – переносники - ідентифіковано не менше десятка переносників АК, переносники глюкози, переносники іонів тощо.

Іонні канали – це система декількох зв’язаних між собою білкових субодиниць, які формують в мембрані невелику пору, також залучені до процесу дифузії за градієнтом концентрації. Найпоширеніші канали натрієві, кальцієві, хлорні, водні пори. Управління іонними каналами здійснюється по різному: Потенціал- залежні іонні канали відкриваються при зміні мембранного потенціалу. Механочутливі відкриваються при деформації мембрани, Рецептор- залежні відкриваються або закриваються за участю нейомедіаторів, біогенних амінів, АТФ, циклічних нуклеотидів. Ca 2+-залежні іонні канали реєструють внутрішньоклітинну концентрацію Ca 2+. ІІІ. Активний транспорт - це енергозалежний трансмембранний перенос проти електрохімічного градієнта, який відбувається за участю АТФ-ази. Найвідоміші Na+/ K+-, H+/K+-, Ca 2+- АТФ-ази.

Ендоцитоз - це поглинання клітиною речовин, часток та мікроорганізмів. Варіанти ендоцитозу: Піноцитоз - процес поглинання рідини та розчинних в ній речовин з утворенням невеликих пухирців. Піноцитозні пухирці формуються в спеціальних зонах плазматичної мембрани - облямованих ямках. Фагоцитоз - поглинання крупних часток. Опосередкований рецепторами ендоцитоз характеризується поглинанням з позаклітинної рідини конкретних молекул. Хід процесу: зв’язування ліганду та мембранного рецептора концентрування комплесу ліганд-рецептор на поверхні облямованої ямки занурення в клітину всередині облямованого пухирця. Екзоцитоз – це процес, при якому внутрішньоклітинні пухирці та секреторні гранули зливаються з плазмолемою, а їх вміст вивільнюється з клітини, тобто відбувається секреція. Мембранні пухирці, що утворюються в комплексі Гольджі, містять речовини, що підлягають виведенню з клітини (секркції, ендоцитозу). Гранули - це секреторні пухирці, з електронощільним вмістом. Їх виявлено, наприклад, в тучних клітинах, де вони містять гістамін, в ендокринних клітинах, де вони містять гормони. Існує два типи екзоцитозу: спонтанна секреція регульована секреція

Цитоплазма. Хімічний склад і головні функції Цитоплазмою називають частину клітини, розташовану між плазмолемою та ядром. Цитоплазма клітин різних типів може мати різний об'єм. При цьому у функціонально однорідних клітинах об'єм цитоплазми, як правило, корелює з об'ємом ядра: при збільшенні об'єму ядра збільшується і об'єм цитоплазми. Співвідношення між об'ємом ядра й об'ємом цитоплазми називають ядерно-цитоплазматичним співвідношенням і визначають як ЯЦС = VЯ / (VК – VЯ) , де VЯ – об'єм ядра, VК – об'єм клітини. Уперше існування залежності об'єму цитоплазми від об'єму ядра було виявлено Р. Гертвігом у 1908 р. Ним же був запропонований принцип визначення ядерноцитоплазматичного співвідношення. Цитоплазма є складною системою, до якої належать: -цитозоль, -цитоскелет, -органели, -включення.

Цитозоль, який називають також гіалоплазмою (від гр. hyalos – скло) – прозорою плазмою, клітинним матриксом або основною речовиною, становить близько 55 % від загального об'єму клітини. Основною хімічною речовиною цитозолю є вода, кількість якої може змінюватись залежно від віку організму та функціонального стану клітин. В ембріональних клітинах кількість води може досягати 90 %, при старінні її кількість у клітинах може зменшуватись до 45– 55 %. Близько 20 % цитозолю складають ферменти та білки: - білки які зумовлюють процесинг (дозрівання) синтезованих білків, - стресорні білки, - шаперони, - білки елементів цитоскелету (актин, тубулін), - та ін.

У цитозолі можуть накопичуватись ліпіди, жирні кислоти та спирти. Вуглеводи представлені моно-, ди- й полісахаридами. Полісахариди (крохмаль у рослинних клітинах і глікоген у тваринних), як і нейтральні жири, утворюють включення. Цитозоль є місцем скоординованої "співпраці" і різних типів молекул РНК: іРНК, р. РНК, т. РНК. Крім органічних сполук у цитозолі присутні різні неорганічні іони: (Na+, K+, H+, Ca 2+, Cl–, HCO 3–, HPO 42–, H 2 PO 4–, HSO 4–) тощо. Наявні також мікроелементи, необхідні для нормального функціонування клітини. Цитозоль може перебувати у двох агрегатних станах: стані золю (більш рідкому) і стані гелю (більш густому, желеподібному), тобто поводити себе як тиксотропний гель.

Золь-гель-переходи цитозолю залежать від: - тиску, - температури, - концентрації деяких іонів (наприклад, Ca 2+, Mg 2+), - актин (білок цитоскелету, який входить до складу мікрофіламентів). Функціональне значення цитозолю - Об'єднує всі клітинні структури й забезпечує їхню хімічну взаємодію між собою. - Через цитозоль відбуваються майже всі транспортні процеси, процеси дифузії різних речовин. - - Осмотичні та буферні властивості цитоплазми також забезпечуються цитозолем. - Ферменти, які є у цитозолі залучені до синтезу й розщеплення амінокислот, нуклеотидів, жирних кислот і вуглеводів. Саме в - В цитозолі відбувається анаеробне розщеплення глюкози (також фруктози або галактози) – гліколіз (2 мол. АТФ і трикарбонові сполуки). - У цитозолі на вільних рибосомах або полісомах починається синтез усіх білків клітини.

Включення За хімічною природою включення можуть бути: - білковими (наприклад, алейронові зерна в рослинних клітинах), - вуглеводними (крохмальні зерна в клітинах рослин чи глікогенові включення в клітинах тварин), - ліпідними (жирові краплини в цитоплазмі деяких клітин) - терпеноїдної природи (включення ефірних олій, смол, каучуку в клітинах ряду рослин), - глікозидами, алкалоїдами, мінеральними (кристали оксалату кальцію або карбонату кальцію в клітинах деяких рослин). За функціональним призначенням включення бувають: трофічними, секреторними, екскреторними, пігментними, захисними.

Трофічні включення – це різного роду запасні поживні речовини

Секреторні включення – це різні за хімічною природою речовини (білки, вуглеводи, глікопротеїди тощо), які синтезуються клітиною, виводяться з неї та функціонують поза її межами Екскреторні включення – це різні продукти метаболізму, які залишились на певний час у клітині Пігментні включення – це різні забарвлені речовини (пігменти), які зустрічаються в цитоплазмі й надають клітині певного кольору Захисні включення – це включення, які утворюються в клітинах рослин і тварин і слугують для захисту організму

Алейронові зерна належать до трофічних білкових включень. Це запасні поживні речовини білкової природи. Вони є в клітинах багатьох рослин, та найбільше їх у клітинах насінин. Жовткові включення належать до трофічних включень. За хімічною природою вони є змішаними білково-ліпідними. Містяться в яйцеклітинах майже всіх тварин Крохмальні зерна. Це вуглеводні трофічні включення рослинних клітин