Тема 5 Мембранные структуры цитоплазмы Эндоплазматическая сеть Аппарат

Зарегистрируйтесь, чтобы просмотреть полный документ!

Тема 5. Мембранные структуры цитоплазмы Эндоплазматическая сеть. Аппарат Гольджи. Лизосомы. Вакуоли растительных клеток 1

Тема 5. Мембранные структуры цитоплазмы ВАКУОЛЯРНАЯ СИСТЕМА • • • Цитоплазма (Цит), отделенная от окружающей клетку среды плазматической мембраной, неоднородна по своей структуре. Цит состоит из гиалоплазмы и разнообразных мембранных и немембранных компонентов. Немембранные компоненты: микротрубочки и органеллы, построенные из них, и, кроме того, различные микрофиламенты и микрофибриллы. Мембранные структуры цитоплазмы: отдельные или связанные друг с другом отсеки, содержимое которых отделено мембранами, как от собственно гиалоплазмы, так и от плазматической мембраны. Эти цитоплазматические мембранные структуры имеют свое собственное содержимое, отличное по составу, свойствам и функциям от гиалоплазмы. Мембранные элементы цитоплазмы представляют собой замкнутые, закрытые объемные зоны (часто употребляют термин «компартмент» — купе). Модель апикальной части гифа Polystictus versicolor: 1 -плазматическая мембрана; 2 эндоплазматический ретикулум; 3 -мембраны аппарата Гольджи; 4 - митохондрии; 5 – впячивания плазматической мембраны; 6 – апикальные вакуоли; 7 – микропузырьки; 8 – слой клеточной стенки (по Girbardt, 1969) Лекция 5(43) 2

Тема 5. Мембранные структуры цитоплазмы Классификация мембранных структур (МС) • Первая группа МС. Вакуолярная система (наличие одинарной ограничивающей мембраны) : Эндоплазматический ретикулум, гранулярный и гладкий, и различные вакуоли, возникающие из этого ретикулума (вакуоли растительных клеток, микротельца, сферосомы и др. ). • Вакуолярный комплекс аппарата Гольджи и лизосомы. • Вторая группа МС. Двумембранные органоиды — митохондрии и пластиды. Эти структуры имеют замкнутые и независимые, не переходящие друг в друга, внешние и внутренние мембраны (это отличает их от двумембранной ядерной оболочки, где внешняя мембрана может переходить в мембраны эндоплазматического ретикулума цитоплазмы). • Вакуолярная система представляет единый комплекс МС. Отдельные элементы выполняют разные функции, дополняющие и связывающие друга. Лекция 5(43) 3

Тема 5. Мембранные структуры цитоплазмы Эндоплазматическая сеть (ЭС) • Открытие ЭС - в 1945 г. К. Портер обнаружил (электронная микроскопия) в зоне эндоплазмы большое число мелких вакуолей и каналов, соединяющихся друг с другом и образующих рыхлую сеть (ретикулум). Стенки этих вакуолей и канальцев ограничены тонкими мембранами. • В 50 -х гг. , на ультратонких срезах открыта структура эндоплазматического ретикулума (ЭР) и показано, что ЭР встречается практически во всех эукариотических клетках. • Электронно-микроскопический анализ позволил выделить два типа ЭР: гранулярный (шероховатый) и гладкий. Лекция 5(43) 4

Тема 5. Мембранные структуры цитоплазмы Гранулярный эндоплазматический ретикулум (ГЭР) • ГЭР – образуют на сечениях вытянутые мешки, цистерны Схема строения каналов и полостей ГЭР: рс – рибосомы, прикрепленные к мембранам со стороны гиалоплазмы; п – полости плоских цистерн и каналов, отделенных мембранами от гиалоплазмы; в – вакуоли с синтезированными продуктами, отщепляющиеся от цистерн гранулярного ЭР; в этих зонах исчезают рибосомы на мембранах (Ченцов, 1978) или же имеют вид узких каналов замкнутых мембранами • Ширина полостей цистерн варьирует в зависимости от функциональной активности клетки. • Наименьшая ширина полостей составляет около 20 нм, в расширениях могут достигать диаметра в несколько мкм. • Отличительная черта ГЭР - они со стороны гиалоплазмы покрыты мелкими (около 20 нм) темными, почти округлыми частицами, гранулами. • Впервые эти гранулы описал Дж. Паладе (гранулы Паладе), который доказал, что они представляют собой рибонуклеопротеиды. • Теперь хорошо известно, что эти гранулы являются рибосомами, связанными с мембранами ЭР. • На мембранах рибосомы расположены в виде полисом (множество рибосом, объединенных одной информационной РНК), имеющих вид плоских спиралей, розеток или гроздей (синтезирующие белок рибосомы, прикрепленные к мембранам ГЭР большой субъединицей. Лекция 5(43) 5

Тема 5. Мембранные структуры цитоплазмы ао Мембранные структуры цитоплазмы ГЭР (продолжение) • ГЭР в отличие от гладкого ЭР (Гл. ЭР) представлен в клетках или в виде редких разрозненных мембран или же в виде локальных скоплений таких мембран (эргастоплазма) (см. фото) • Первый тип ГЭР характерен для недифференцированных клеток или клеток с низкой метаболической активностью. Канальцы ГЭР: участок клетки печени крысы. М – митохондрии (Ченцов, 1978) Лекция 5(43) • Эргастоплазма характерна для клеток активно синтезирующих секреторные белки. Так, в клетках печени ГЭР собран в отдельные зоны (тельца Берга), так же как в некоторых нервных клетках (тигроид). • В клетках поджелудочной железы ГЭР (эргастоплазма) в виде плотно упакованных мембранных цистерн занимает базальную и околоядерную зоны клетки. 6

Тема 5. Мембранные структуры цитоплазмы Микросомная фракция • При помощи дифференциального центрифугирования (после осаждения из гомогенатов клеток ядер и митохондрий) можно получить так называемую микросомную фракцию (МФ) • Из всех фракций клеток поджелудочной железы морской свинки МФ самая активная в отношении синтеза белка. • МФ состоит из мелких вакуолей, покрытых плотными гранулами (электронный микроскоп) • После растворения мембран можно получить чистую фракцию этих гранул – рибосом (рибонуклеопротеиды) • Однако в интактных клетках рибосомы располагаются на плоских мембранных цистернах большой протяженности. Вывод: МФ представляет собой частично разрушенные элементы ГЭР. • Так как МФ ответственна за большую часть синтеза белка в таких клетках, следовательно, ГЭР является местом синтеза белков в клетках. Лекция 5(43) 7

Тема 5. Мембранные структуры цитоплазмы Клетка опухоли (саркома Уоккера): я – ядро, яо – яденрная оболочка, аг – аппарат Гольджи, м – митохондрии, пм – плазматическая мембрана, ГЭР – грнулярный ЭР, прс – свободные полисомы (полирибосомы) гиалоплазмы (Ченцов, 1978) • В эмбриональных, недифференцированных клетках Риб в цитоплазме в основном не связаны с мембранами ЭР. Они в виде полисом заполняют гиалоплазму и лишь в незначительной степени связаны с мембранами (см. фото). • Многие специализированные клетки активные в отношении белкового синтеза (например, клетки поджелудочной, молочной желез, нервные клетки, и мн. др. ) содержат очень мало свободных полисом в гиалоплазме (связаны с мембранами ГЭР) • Вывод: В Риб в составе полисом гиалоплазмы синтезируют белки, необходимые для собственно клеточных нужд. Риб, связанные с мембранами ГЭР, участвуют в синтезе белков, выводимых из данной клетки, «экспортируемых» белков. • Примеры: Клетки, богатые ГЭР, синтезируют и выводят огромное количество белков – клетки печени — альбумины крови; молочной железы — казеин; слюнной железы — пищеварительные ферменты, амилазу и РНКазу и т. д. • Растения: железистые клетки, выделяющие белковые вещества, богаты гранулярным ЭР. Лекция 5 (43) 9

Тема 5. Мембранные структуры цитоплазмы ГЭР – секреция • ГЭР принимает участие в синтезе белков — ферментов, необходимых для внутриклеточного пищеварения (в полости фагоцитарных или пиноцитозных вакуолей – расщепление макромолекул). • Клетки пищеварительных желез вырабатывают гидролитические ферменты (ГФ), расщепляющие биологические макромолекулы. Поэтому синтез ГФ и выход их в гиалоплазму должен привести к самоперевариванию клетки (автолиз), к ее гибели. • Этого не происходит: ГФ переносятся через мембрану ЭР в полость вакуолей, изолируются от содержимого гиалоплазмы и цитоплазматических структур и накапливаются в отдельных замкнутых мембранных полостях. • Вывод: ГЭР не просто участвует в синтезе белков на рибосомах его мембран, но и в процессе сегрегации, обособления этих синтезированных белков, в их изоляции от основных функционирующих белков клетки и выделению (секреции) таких белков с помощью вакуолей аппарата Гольджи. Лекция 5(43) 10

Тема 5. Мембранные структуры цитоплазмы Экспериментальные данные Биохимические доказательства: • Фракция микросом поджелудочной железы + меченая аминокислота (например, 3 Н-лейцин) = синтез полипептидных цепей с включенным в них 3 Н-лейцином. Осаждение. Меченый белок локализуется только в зоне осажденных микросом, его практически нет в надосадочной жидкости. После разрушения гранулярныхе пузырьков микросом (детергент) и осаждения рибосом и остатков мембран – большая часть меченых белков – надосадочная жидкость. Электронная микроскопия: • Клетки слюнных желез и клетки фолликулов щитовидных желез вырабатывают секреты, в составе которых обнаруживается пероксидаза. Гистохимически было найдено, что в цитоплазме этот фермент локализован, главным образом, внутри полостей ГЭР и в вакуолях аппарата Гольджи. Лекция 5(43) 11

Тема 5. Мембранные структуры цитоплазмы Экспериментальные данные (продолжение) • При стимуляции синтеза специфических белков – антител, они обнаруживаются исключительно внутри канальцев и цистерн ГЭР (не все канальцы ГЭР обладают синтетической активностью – в части из них не синтезировались антитела – т. е. разные участки ГЭР принимают участие в синтезе и секреции разных белков). Проведение эксперимента: • Плазмациты (ПК) – клетки, ответственные за синтез ммуноглобулинов (метод связывания, антиген — антитело + электронно-микроскопическая гистохимия). • Животные (кролики) были иммунизированы пероксидазой. ПК начинают вырабатывать антитела (иммуноглобулины) к пероксидазе. • Срезы таких ПК + пероксидаза = реакция связывания антиген (пероксидаза) – антитело. Локализация связанной перексидазы обнаруживается гистохимически. Лекция 5(43) 12

Тема 5. Мембранные структуры цитоплазмы Функции ГЭР: Транспорт и модификация • Синтезированный в ГЭР белок (особенно у секретирующих клеток) не просто накапливается в полостях ЭР, а перемещается, транспортируется по каналам и вакуолям от места синтеза в другие участки клетки. • Механизм этого транспорта пока не ясен, но необходимо наличие АТФ. • Белки из полостей ГЭР транспортируются в вакуоли аппарата Гольджи, откуда они переходят в другие вакуоли или выводятся из клетки. • В ГЭР может происходить модификация белков – глюкозилирование (связывание с сахарами). • Внутри ГЭР может происходить конденсация синтезированных белков с образованием крупных агрегатов — секреторных гранул (например, секреторные гранулы клеток поджелудочной железы у морской свинки наблюдаются прямо в расширенных участках цистерн ГЭР Лекция 5(43) 13

Тема 5. Мембранные структуры цитоплазмы Прокариоты: • У клеток прокариот системы ЭР нет! Многие бактериальные клетки выделяют в окружающую среду экзоферменты (принимают участие в расщеплении макромолекул вне клеток). • Выход этих ферментов не связан со специальной системой внутриклеточных вакуолей, а происходит непосредственно через плазматическую мембрану (у ряда бактерий часть рибосом (Риб) прочно связана с плазматической мембраной). • Вероятно, эти Риб участвуют в синтезе секретируемых белков. Риб не связанные с мембранами цитоплазмы синтезируют белки, необходимые для метаболических процессов внутри клетки. Лекция 5(43) 14

Тема 5. Мембранные структуры цитоплазмы Гладкий (агранулярный) эндоплазматический ретикулум • Гладкий ЭР (Гл. ЭР) представляет часть мембранной ретикулярной системы, представлен мембранами, образующими мелкие вакуоли и трубки, канальцы, которые могут ветвиться, сливаться друг с другом. • В отличие от гранулярного, на мембранах гладкого Гл. ЭР нет рибосом • Диаметр вакуолей и канальцев Гл. ЭР обычно около 50— 100 нм. Плотность сети из этих мембранных элементов может быть неодинаковой как для различных клеток, так и внутри одной клетки. • Установлена непрерывность перехода между Гл. ЭР и ГЭР: цистерны ГЭР теряют рибосомы и становится «гладкими» . Существует представление о том, что Гл. ЭР является вторичным по отношению к ГЭР, происходит из последнего. Лекция 5 (43)15 ЭР: жгутиковые – Barbulanimpha sp. а – ГЭР, б – Гл. ЭР Печень крысы: зона мелких вакуолей Гл. ЭР. М – митохондрии, г – гранулы гликогена (Ченцов, 1978)

Тема 5. Мембранные структуры цитоплазмы Гладкий (агранулярный) эндоплазматический ретикулум Метод радиоактивномеченных предшественников мембранных компонентов и изучение отдельных фракций Гл. ЭР и ГЭР: при интенсивном разрастании Гл. ЭР метка вначале появляется в ГЭР и только спустя некоторое время — в Гл. ЭР. • Отсутствие рибосом на Гл. ЭР прямо говорит о его непричастности к синтезу белков. Функции Гл. ЭР связаны с метаболизмом липидов и некоторых внутриклеточных полисахаридов. • Участие Гл. ЭР в синтезе триглицеридов и липидов было показано при изучении процесса всасывания продуктов распада жиров в клетках кишечного эпителия (жирные кислоты и моноглицериды). В апикальных участках клеток кишечника видно при этом накопление осмиофильных гранул внутри просветов канальцев Гл. ЭР. • Мелкие капли липидов, возможно, в комплексе с белками можно наблюдать в клетках печени, в полостях Гл. ЭР около зоны аппарата Гольджи. • Если крысам давать вещества, приводящие к образованию больших капель жира (жировая дистрофия), то первые мелкие липидные капельки появляются в Гл. ЭР (иногда и в ГЭР). Лекция 5(43) 16

Тема 5. Мембранные структуры цитоплазмы Гладкий (агранулярный) эндоплазматический ретикулум • Сильное развитие Гл. ЭР в клетках, секретирующих стероиды – например, в клетках коркового вещества надпочечника. Основные ферменты синтеза стероидов были обнаружены во фракциях микросом, образовавшихся при разрушении Гл. ЭР. • Тесная топографическая связь Гл. ЭР с отложениями гликогена (запасного внутриклеточного полисахарида животных и грибов) в гиалоплазме различных клеток показывает на возможное значение этой связи с метаболизмом углеводов. • В клетках печени, в мышечных волокнах гликоген откладывается в зонах, свободных от ГЭР, но богатых структурами Гл. ЭР. Такие зоны гладкого ЭР могут увеличиваться в размере как при исчезновении гликогена (например, при голодании), так и при увеличении его отложений. Лекция 5(43) 17

Тема 5. Мембранные структуры цитоплазмы Мышца диафрагма крысы: ср – саркоплазматический ретикулум (Гл. ЭР), м – митохондрии, ф – поперечные срезы миофибрилл (Ченцов, 1978) Схема расположения мембран Гл. ЭР (саркоплазматического ретикулума) мышц (SR). М - митохондрии (Ченцов, 1978) Гладкий (агранулярный) эндоплазматический ретикулум • В печени увеличение зон Гл. ЭР связано с рядом патологических процессов в клетках: барбитуратные отравления, действие канцерогенов или ядовитых веществ, больших доз гормональных препаратов и др. (клетки печени теряют базофилию цитоплазмы, в них падает содержание РНК и появляются скопления Гл. ЭР. Вывод: клетки печени участвуют в детоксикации организма с помощью Гл. ЭР. • В поперечнополосатых мышцах Гл. ЭР окружают каждую миофибриллу (рис. ). Здесь ЭР выполняет функцию депонирования Са++. В присутствии АТФ Гл. ЭР может активно поглощать и накапливать Са++, что приводит к расслаблению мышечного волокна. • Среди высших растений Гл. ЭР встречается в клетках тканей, участвующих в синтезе и транспорте терпенов, стероидов, липидов. Часто отдельные элементы Гл. ЭР видны по периферии 18 клеток вблизи их полисахаридной клеточной стенки. Лекция 5(43)

Тема 5. Мембранные структуры цитоплазмы Аппарат Гольджи (комплекс Гольджи или пластинчатый комплекс) • Выведение (секреция) соединений за пределы клетки АГ в клетках тонкой кишки лягушки (импрегнация осмием): 1 – ядро; 2 – АГ (Ченцов, 1978) АГв клетках спирального ганглия морской свинки: 1 – ядро; 2 – ядрышко; 3 – аппарат Гольджи; 4 – ядра клеток-сателлитов (Ченцов, 1978) (экзоцитоз) происходит с участием аппарата Гольджи (АГ) (во всех эукариотических клетках). • В 1898 г. К. Гольджи, используя свойства связывания тяжелых металлов (осмия или серебра) с клеточными структурами, выявил в нервных клетках сетчатые образования, которые он назвал «внутренним сетчатым аппаратом» . • Световой микроскоп (импрегнация): АГ - темные участки (диктиосомы), имеющих вид палочек, зерен, вогнутых дисков и т. д. • Гистохимия АГ: белки, липиды, полисахариды, мукополисахариды; ферменты – фосфатазы (в основном кислая фосфатаза), пероксидаза, гидролазы • Морфология АГ меняется в зависимости от стадий клеточной секреции, что послужило основанием Д. Н. Насонову выдвинуть гипотезу о том, что АГ является органоидом, обеспечивающим сепарацию и накопление веществ в самых различных клетках. • Элементы АГ были обнаружены во всех растительных клетках (электронная микроскопия). 19 Лекция 5(43)

Тема 5. Мембранные структуры цитоплазмы Примеры трехмерной реконструкции Дик растительных клеток (Ченцов, 1978; Уэйли, 1978) Строение аппарата Гольджи • Отдельная зона скопления мембран АГ называется диктиосомой (Дик) (рис. ). В Дик на расстоянии 20— 25 нм в виде стопки – плоские мембранные мешки, или цистерны, между которыми располагаются тонкие прослойки гиалоплазмы. • Каждая отдельная цистерна в центре шириной 25 нм, на периферии – расширения с непостоянной шириной (рис. ). Количество цистерн в стопке Дик обычно не превышает 5— 10 (у некоторых одноклеточных до 20) Кроме цистерн в зоне АГ – много вакуолей. Мелкие вакуоли на периферическии, иногда видно, как они отшнуровываются от расширений на краях цистерн. Дик Euglena gracilis (Ченцов, 1978) Лекция 5(43) 20

Тема 5. Мембранные структуры цитоплазмы АГ: фракция, негативный контраст Строение аппарата Гольджи • В зоне Дик – проксимальный и дистальный отделы. В секретирующих клетках обычно АГ поляризован: его проксимальная часть обращена к цитоплазме и ядру, в то время как дистальная обращена к поверхности клетки. • В проксимальном участке к стопкам цистерн примыкает зона мелких гладких пузырьков и коротких мембранных цистерн (Рис. ). Считается, что это зона перехода элементов ЭР в АГ. Толщина мембран 6— 7 нм • Дистальная часть – крупные вакуоли, часто содержащие продукты клеточной секреции. Толщина мембран – до 10 нм • В клетках отдельные Дик могут связываться системой вакуолей и цистерн, примыкающих к проксимальному концу стопки плоских мешков. Образуется рыхлая трехмерная сеть (световой микроскоп). • В случае диффузной формы АГ каждый отдельный его участок представлен диктиосомой (клетки растений, простейшие и многих беспозвоночные) • Обычно в среднем на клетку приходится около 20 диктиосом. Пачка мембран и вакуолей АГ (метод замораживания-скалывания) (Ченцов, 1978) 21 Лекция 5(43)

Тема 5. Мембранные структуры цитоплазмы Функции АГ • Мембранные элементы АГ участвуют в сегрегации и накоплении продуктов, синтезированных в ЭР, участвуют в их химических перестройках: синтез полисахаридов, их взаимосвязь с белками, приводящая к образованию мукопротеидов • В АГ происходит процесс подготовки к выведению готовых секретов за пределы клетки • АГ является источником клеточных лизосом. • Участие АГ в процессах выведения секреторных продуктов были очень хорошо изучены на примере экзокринных клеток поджелудочной железы (рис. ). Для этих клеток характерно наличие большого числа секреторных гранул (зимогеновых гранул), которые представляют собой мембранные пузырьки, заполненные белковым содержимым (протеазы, липазы, карбогидразы, нуклеазы). Схема связи ЭР и АГ с образованием и выделением зимогена из ацинарных клеток поджелудочной железы. 1 – переходная зона между ЭР и АГ; 2 – зона созревания секреторных гранул; 3 – зона отделения зимогенных гранул от АГ; 4 – экзоцитоз (Ченцов , 1978) Лекция 5(43) 22

Тема 5. Мембранные структуры цитоплазмы Функции АГ Эксперимент: животным вводили 3 Н-лейцин – электронно- микроскопическая авторадиография – локализация метки. • Через 3— 5 мин метка была только в базальных участках клеток (где много ГЭР). Так как метка включалась в белок во время синтеза белка, ясно, что в АГ и в зимогеновых гранулах синтеза белка не происходит • Через 20— 40 мин метка кроме ГЭР обнаруживалась в АГ. • Следовательно, после синтеза в ГЭР белок транспортирован в зону АГ • Через 60 мин метка обнаруживалась уже и в зоне зимогеновых гранул, а затем в просвете ацинусов этой железы. • Вывод: АГ промежуточное звено между собственно синтезом секретируемого белка и выведением его из клетки. • Синтезированный на рибосомах экспортируемый белок отделяется и накапливается внутри цистерн ЭР, по которым он через мелкие вакуоли транспортируется к зоне мембран диктиосом Последовательность АГ. обнаружения (1, 2, 3, 4) метки от • Накопленный белок в Дик конденсируется в виде секреторных Н 3 -лизина при синтезе и выведении белкового секрета из белковых гранул и выводится экзоцитозом из клетки поджелудочной железы: к • Механизмы, управляющие миграцией вакуолей от ЭР к зоне АГ – кровеносный капилляр; ак – и от этой зоны к плазматической мембране, еще неизвестны, но цитоплазма клетки; п – просвет показано, что они требуют энергию: при подавлении синтеза АТФ железы. Стрелки показывают процессы переноса вакуолей полностью прекращаются 23 пути миграции метки (Ченцов, 1978) Лекция 5(43)

Тема 5. Мембранные структуры цитоплазмы Функции АГ • С момента образования до выведения из клеток секретируемые продукты отделены мембраной от гиалоплазмы. Следовательно, мембраны АГ выполняют сегрегирующую роль при образовании клеточных секретов. • В АГ могут происходят метаболические процессы: многие белки подвергаются модификациям – их аминокислоты фосфорилируются, ацетилируются или гликозилируются (связывание с сахарами). • Во многие секреторные продукты входят сложные белки — гликопротеиды и мукопротеиды (муцины) — белки, связанные в единую цепь с сахарами и полисахаридами разной природы. • Связывание белков с сахарами и полисахаридами было доказано при изучении включения 3 Н-глюкозы и 3 Н-галактозы в состав муцинового секрета бокаловидных клеток кишечного эпителия (рис. ). Последовательный ход образования муцинов слизи в бокаловидной клетке кишечника. Предшественники попадают в клетку из кровеносного сосуда (1). Белки из аминокислот синтезируются на рибосомах ретикулума (2) и движутся через него (3), поступая в зону аппарата Гольджи (АГ). Тем временем простые сахара проникают в цистерны АГ и соединяются там с белком (4), образуя глткопротеид, к которому присоединяется также сульфат (5). Мешочки АГ, в которых образовался гликопротеид, превращаются в глобулы слизи (6), мигрирующие к поверхности клетки (7), где они из нее выделяются (8) (Уэйли, 1978) Лекция 5(43) 24

Тема 5. Мембранные структуры цитоплазмы Схема накопления и выведения жира в клетках кишечника: 1 -4 - накопление жировых капель в ЭР; 5 – транспорт их в АГ; 6, 7 – выведение капель жира через плазматическую мембрану в межклеточную щель (Ченцов, 1978) Функции АГ (растительные клетк, липопротеиды) • В АГ растительных клеток происходит синтез полисахаридов матрикса клеточной стенки (гемицеллюлозы, пектины). Диктиосомы растительных клеток – синтез и выделение слизей и муцинов, в состав которых входят также полисахариды. (Синтез основного каркасного полисахарида растительных клеточных стенок, целлюлозы происходит на поверхности плазматической мембраны с помощью специальных ферментных комплексов. Вероятно, эти ферменты приносятся с помощью вакуолярной системы АГ). • В АГ может происходить накопление ресинтезированных молекул липидов и образование сложных белков— липопротеидов, которые могут транспортироваться вакуолями за пределы клетки (см. схему). • В клетках низших растений, имеющих сократимые вакуоли, последние представляют собой расширенную цистерну АГ. При сокращении она сливается с плазматической мембраной, а ее содержимое выталкивается из клетки путем экзоцитоза. В процессе созревания белковых секретов происходит конденсация белков в виде секреторных гранул. Этот процесс также связан с изменением количества воды внутри вакуолей Лекция 5(43) 25

Тема 5. Мембранные структуры цитоплазмы Функции АГ • Работа АГ при секреции связана со слиянием мембран АГ с плазматической мембраной. Существует как бы поток мембран от АГ к плазмалемме. • С другой стороны, постоянно происходит включение в мембраны АГ потока мембранных вакуолей со стороны ЭР. Непосредственный переход мембран ЭР в плазмалемму встречается крайне редко. • Вероятно, именно в системе вакуолей АГ происходят перестройки структуры мембран: они из более тонких в проксимальной части становятся толстыми (10 нм) в дистальной части и приобретают способность сливаться с плазматической мембраной. • Имеется представление, что рост и образование плазматической мембраны происходят за счет мембран АГ: там происходит синтез липидов, образование липопротеидных мембран, их связывание с гликопротеидами и специфическими белками-рецепторами. Лекция 5(43) 26

Тема 5. Мембранные структуры цитоплазмы АГ во время деления клеток • Во время деления клеток сетчатые формы АГ распадаются до диктиосом, которые пассивно и случайно распределяются по дочерним клеткам. При росте клеток общее количество диктиосом увеличивается, однако детали такого увеличения пока не ясны. • Предполагается, что элементы АГ могут возникать из мембран, отшнуровывающихся от ядерной оболочки. Это предположение не доказано, хотя замечена прямая корреляция между ядром и АГ. (У водоросли хламидомонады количество зон АГ увеличивается при увеличении плоидности клетки; у амёб, у которых удалено ядро, АГ уменьшается в размере, но восстанавливается до исходного состояния при обратной пересадке ядра). • АГ есть у всех клеток эукариотических организмов за малым исключением (например, эритроциты млекопитающих), но далеко не любая клетка обнаруживает способность к секреции белков, липидов или полисахаридов (мышечные, многие клетки крови (гранулярные лейкоциты), клетки покровного эпителия) • Это связано с тем, что в любых клетках наблюдается процесс образования лизосом, процесс, напоминающий секрецию, но направленную как бы внутрь клетки. В этом случае одну из ведущих ролей в образовании лизосом играет аппарат Гольджи. Лекция 5(43) 27

Тема 5. Мембранные структуры цитоплазмы Лизосомы (Лиз) • Лиз – мембранные внутриклеточные частицы были открыты биохимиками (Де Дюв, 1955). При изучении легкой подфракции макросом из гомогенатов печени крысы было найдено, что эта подфракция (в отличие от основной фракции макросом— митохондриальной фракции) обладает группой кислых гидролитических ферментов (гидролаз), расщепляющих белки, нуклеиновые кислоты, полисахариды и липиды. • Ферменты изолированных Лиз проявляют свою активность только в том случае, если предварительно вызывается их повреждение действием осмотического шока или детергентов, замораживания-оттаивания. • Вывод: Лиз окружены липопротеидной мембраной, которая препятствует доступу находящихся снаружи субстратов к ферментам, находящимся внутри лизосом. • Фракция лизосом почек способна концентрировать введенные в организм чужеродные белки (например, пероксидазу). Вывод: Лиз участвуют в переваривании и детоксикации чужеродных веществ, поглощаемых путем пиноцитоза и фагоцитоза. • Лизосомные фракции содержат ряд гидролаз, из которых некоторые могут быть выявлены гистохимическими методами – кислая фосфомоноэстераза (кислая фосфатаза), которая довольно легко выявляется в световом и электронном микроскопах. Лекция 5(43) 28

Тема 5. Мембранные структуры цитоплазмы Структура лизосом • Фракция Лиз состоит из пузырьков размером Лизосомы разнообразного строения в клетке культуры ткани (Ченцов, 1978) 0, 2— 0, 4 мкм (для клеток печени), ограниченных одиночной мембраной (толщина ее около 7 нм), с очень разнородным содержимым внутри (электронный микроскоп). • Во фракции Лиз встречаются пузырьки с гомогенным, бесструктурным содержимым, встречаются пузырьки, заполненные плотным веществом, содержащим, в свою очередь, вакуоли, скопления мембран и плотных однородных частиц • Часто можно видеть внутри некоторых Лиз не только участки мембран, но и фрагменты митохондрий и ЭР и постоянно присутствие гидролаз • Только сочетание биохимических, цитохимических и электронно-микроскопических методов исследований позволяет достаточно подробно изучить строение, происхождении и функции Лиз. Лекция 5(43) 29

Тема 5. Мембранные структуры цитоплазмы Лизосомы (первичные, вторичные) Образование Лиз и их участие в клеточных процессах: 1 - синтез гидролитических ферментов в ЭР; 2 – переход их в АГ; 3 – образование первичных Лиз; 4 – выброс и использование (5) гидролаз при внеклеточном расщеплении; 6 – эндоцитозные вакуоли; 7 – слияние с ними первичных Лиз; 8 – образование вторичных Лиз; 9 – телолизосомы; 10 – экскреция остаточных телец; 11 – первичные Лиз принимают участие в образовании автофагосомы (Ченцов, 1978) • По морфологии Лиз можно выделить 4 типа: первичные лизосомы, вторичные лизосомы, аутофагосомы и остаточные тельца (см схему). • Первичные Лиз – мелкие мембранные пузырьки размером около 100 нм, заполненные бесструктурным веществом, содержащим активную кислую фосфатазу (маркер Лиз). • Первичные Лиз трудно отличить от мелких вакуолей на периферии АГ (эти вакуоли также содержат кислую фосфатазу). • Место синтеза кислой фосфатазы – ГЭР. Затем фермент появляется в проксимальных участках диктиосом, а потом — в мелких вакуолях по периферии диктиосомы и, наконец, в первичных Лиз. • Путь образования первичных Лиз сходен с образованием зимогеновых гранул в клетках поджелудочной железы, за исключением последнего этапа – секреции из клетки. • Первичные Лиз сливаются с фагоцитарными или пиноцитозными вакуолями, образуя вторичную лизосому или внутриклеточную пищеварительную вакуоль. При этом содержимое первичной лизосомы сливается с полостью эндоцитозной вакуоли и гидролазы первичной лизосомы получают доступ к субстратам, которые они и начинают расщеплять. Лекция 5(43)30

Тема 5. Мембранные структуры цитоплазмы Виды вторичных лизосом • Если ввести в организм мыши чужеродный белок пероксидазу, то она начинает накапливаться в эндоцитозных вакуолях (фагосомах). • С помощью гистохимической реакции можно выявить пероксидазу в таких вакуолях и с помощью электронного микроскопа. Было замечено, что к таким вакуолям подходят первичные Лиз, обладающие кислой фосфатазой, продукты активности которой также выявляются гистохимически. • Затем происходит слияние мембран вакуолей и в образовавшейся новой вакуоле обнаруживается как пероксидазная, так и фосфатазная активность. • По своей морфологии такая вакуоль представляет собой Лиз, содержащую компоненты, захваченные в процессе эндоцитоза. Это вторичная Лиз. • Разнообразие по величине и по структуре Лиз связано в первую очередь с разнообразием вторичных Лиз – продуктов слияния эндоцитозных вакуолей с первичными Лиз. • Вывод: вторичные Лиз – внутриклеточные пищеварительные вакуоли, ферменты которых доставлены с помощью мелких первичных Лиз. Поэтому от типа поглощенных веществ или отдельных структур зависят размер и внутренняя организация вторичных Лиз. Лекция 5(43) 31

Тема 5. Мембранные структуры цитоплазмы Функции лизосом • Лиз могут сливаться друг с другом и увеличиваться в объеме, при этом усложняется их внутренняя структура. (клетки культуры ткани + коллоидное железо фагоцитозные вакуоли, затем во вторичных Лиз. Если снова внести в среду, например коллоидное золото (частички отличаются по морфологии от коллоидного железа), динамика повторится: появятся Лиз, одновременно содержащие гранулы коллоидного железа и коллоидного золота). • Судьба поглощенных биогенных веществ, попавших в состав лизосомы: расщепление гидролазами, транспорт мономеров из Лиз в гиалоплазму, включение мономеров в различные синтетические и обменные процессы. • Однако такой процесс может идти в ряде клеток не до конца. В этом случае в полостях Лиз происходит накопление непереваренных продуктов, происходит переход вторичных лизосом в телолизосомы или остаточные тельца. • Остаточные тельца уже содержат меньше гидролитических ферментов, в них происходит уплотнение содержимого, его перестройка. Часто в остаточных тельцах наблюдается вторичная структуризация непереваренных липидов, которые образуют сложные слоистые структуры. • Там же происходит отложение пигментных веществ. У человека при старении в клетках мозга, печени и в мышечных волокнах в телолизосомах происходит отложение «пигмента старения» – липофусцина. • Судьба остаточных телец может быть двойной: одни из них выбрасываются из клетки путем экзоцитоза, другие же остаются в клетках вплоть до их гибели (например, липофусциновые гранулы). Лекция 5(43) 32

Тема 5. Мембранные структуры цитоплазмы Функции лизосом (продолжение) • Лиз встречаются практически во всех клетках эукариотических организмов (обнаружены у одноклеточных низших растений, у грибов, у простейших и т. д. ) • В тканях животных Лиз чаще и в большем количестве встречаются в тех клетках, для которых характерны процессы реадсорбции или поглощения белковых и других компонентов. • Это, в первую очередь, клетки ретикуло-эндотелиальной системы, макрофаги и лейкоциты, это клетки печени и почек (развитие лизосомного аппарата у некоторых лейкоцитов: например, у нейтрофилов в неактивном, спокойном состоянии в цитоплазме не обнаруживаются сложные Лиз. Цитоплазма этих клеток заполнена гранулами, некоторые из них являются первичными Лиз (азурофильные гранулы). При фагоцитировании клеткой бактерий такие цитоплазматические гранулы быстро подходят к фагоцитозным вакуолям и выбрасывают свое содержимое внутрь вакуолей, которые становятся вторичными Лиз). Лекция 5(43) 33

Тема 5. Мембранные структуры цитоплазмы Лизосомы и эндогенные соединения • Лиз могут участвовать в изменении клеточных продуктов. • Например, в клетках щитовидной железы в ЭР синтезируется тироглобулин, белок — предшественник тироидного гормона. Тироглобулин с помощью АГ выводится из клеток в полость фолликулов щитовидной железы. • При гормональной стимуляции иодированный тироглобулин снова попадает в железистую клетку путем пиноцитоза. • Пиноцитозные вакуоли, содержащие тироглобулин, сливаются с первичными Лиз, ферменты которых вызывают частичный гидролиз тироглобулина, приводящий к образованию тироксина — тироидного гормона, который затем выводится из клетки в кровеносное русло. Лекция 5(43) 34

Тема 5. Мембранные структуры цитоплазмы Аутолизосомы (аутофагосомы) Возможный путь участия лизосом в поглощении и расщеплении внутриклеточных компонентов (по Jumoto, 1974) • Аутолизосомы (аутофагосомы) (АЛиз) постоянно встречаются в клетках простейших, растений и животных. • Морфология – вторичные Лиз. Отличие – внутри встречаются фрагменты или даже целые цитоплазматические структуры, такие, как митохондрии, пластиды, элементы ЭР, рибосомы, гранулы гликогена и т. д. • Процесс образования аутофагосом еще недостаточно ясен. Одно из предположений: первичные Лиз скапливаются вокруг клеточной органеллы, сливаться друг с другом и таким образом отделяют ее от соседних участков цитоплазмы • Фракция Лиз в условиях изотонии и в присутствии АТФ и ионов могут захватывать и транспортировать внутрь себя гранулы белка ферритина (см. схему). Этот процесс напоминает пиноцитоз. Возможно, что таков же механизм образования аутолизосом. • Функция аутофагоцитоза неясна, но может быть связана с отбором и уничтожением измененных, «сломанных» клеточных компонентов. В этом случае лизосомы выполняют роль внутриклеточных «чистильщиков» • В нормальных условиях число аутофагосом увеличивается при метаболических стрессах (например, при гормональной индукции активности клеток печени). Значительно возрастает число аутофагосом при повреждениях клеток: в этом случае автофагоцитозу могут подвергаться целые зоны внутри клеток. Лекция 5(43) 35

Тема 5. Мембранные структуры цитоплазмы Лизосомы и гибель клеток • Увеличение числа Лиз в клетках при патологических процессах – обычное явление. Можно предположить: Лиз играют активную роль при гибели клеток. Однако в большинстве случаев смерти клетки не предшествует освобождение гидролаз из Лиз. • Ферменты Лиз участвуют в автолизе погибших клеток, но скорее всего это вторичное явление, а не причина гибели самих клеток. • Появление Лиз разного типа в клетках скорее отражает процесс переноса гидролитических ферментов, необходимых для внутриклеточного расщепления экзогенных (эндоцитоз) или эндогенных (аутофагоцитоз) полимеров, процесс секреции, но как бы направленный «внутрь» клетки. Лекция 5(43) 36

Тема 5. Мембранные структуры цитоплазмы Функции лизосом (продолжение) • Лиз могут подходить к плазматической мембране и секретировать свое содержимое (гидролазы) в наружную среду. • Например, у клеток гриба нейроспоры Лиз, выбрасывая гидролазы из клетки, обеспечивают внеклеточный протеолиз. Возможно, что часть лизосом макрофагов таким же образом обеспечивает внеклеточный гидролиз при воспалительных и резорбционных процессах. • При оплодотворении акросома спермия, вакуоль, аналогичная Лиз, сливается с плазматической мембраной спермия и секретирует гидролитические ферменты гиалуронидазу и протеазы на поверхность яйцеклетки. Гидролазы расщепляют полисахаридные и белковые оболочки ооцита, давая возможность слиться двум половым клеткам. • Общий вывод: Лиз не представляют собой в клетках самостоятельных структур, они образуются за счет активности ЭР и АГ и напоминают секреторные вакуоли. Основная роль заключается в участии в процессах внутриклеточного расщепления как экзогенных, так и эндогенных биологических макромолекул. Лекция 5(43) 37

Тема 5. Мембранные структуры цитоплазмы Пероксисомы (микротельца) (Пер) • Пер – вакуоли (0, 3— 1, 5 мкм), одетые одинарной мембраной, ограничивающей гранулярный матрикс, в центре которого располагается сердцевина или нуклеоид (ничего не имеющий общего с нуклеоидом бактерий и вообще к ядерным структурам не относящийся). • В сердцевине часто видны кристаллоподобные структуры, состоящие из регулярно упакованных фибрилл или трубочек (Пер клеток печени). Изолированные сердцевины Пер содержат фермент уратоксидазу (рис. ). • Пер есть у простейших (амёбы, тетрахимена), у низших грибов (дрожжи), у высших растений в некоторых эмбриональных тканях (эндосперм) и в зеленых частях, способных к фотореспирации Пер из печени крысы: 1 – мембрана • У высших позвоночных животных – главным образом в Пер, 2 – матрикс, 3 – сердцевина печени и почках. В печени крыс на клетку число пероксисом (Ченцов, 1978) колеблется от 70 до 100. • Пер бывают тесно связаны с мембранами ЭР и, вероятно, образуются из расширенных концов цистерн ЭР, которые заполняются плотным материалом. У зеленых растений пероксисомы часто находятся в тесном контакте с митохондриями и пластидами. • Фракция Пер: ферменты, связанные с метаболизмом перекиси водорода – оксидазы, уратоксидаза, оксидаза d-аминокислот) окислительного дезаминирования аминокислот, при работе которых образуется Н 2 О 2, и каталаза (40% всех ферментов Пер), разрушающая перекись водорода. Детоксикация. Лекция 5(43) 38

Тема 5. Мембранные структуры цитоплазмы Сферосомы (Cф) • Cф – мембранные пузырьки, в клетках растений окрашиваются липофильными красителями (имеют высокий коэффициент преломления и поэтому хорошо видны в световой микроскоп) • Сф образуются из элементов ЭР (на цистернах ЭР начинает накапливаться осмиофильный материал, отшнуровывается и растет мелкий пузырек – диаметр 100 -150 нм • Это «просферосома» , окруженная одинарной двуконтурной мембраной. • Рост Сф и их перестройка связаны с накоплением масла постепенным превращаением в масляную каплю • Кроме жиров в составе Сф обнаруживают белки и среди них фермент липазу – маркер Сф Лекция 5(43) 39

Тема 5. Мембранные структуры цитоплазмы Вакуоли растительных клеток (Вак) • Клетки низших и высших растений содержат в цитоплазме Вак. У молодых клеток может быть несколько мелких Вак, возникающих из мелких пузырьков ЭР, по мере роста и дифференцировки клетки мелкие Вак сливаются и образуют одну или несколько крупных Вак, занимающих до 80% объема всей клетки. • Центральные Вак отделены от цитоплазмы тонопластом – одинарной мембраной, сходной по толщине с плазмалеммой. • Полость Вак заполнена клеточным соком, представляющим собой водный раствор неорганических солей, сахара, органических кислот и их солей и других низкомолекулярных и высокомолекулярных веществ (например, белков). • Функции: поддержание тургорного давления клеток; активный транспорт различных молекул (накопительные резервуары) для отложения многих запасных веществ (глюкозиды – различные пигменты, например антоцианы; фосфаты калия, натрия, кальция; соли органических кислот (оксалаты, цитраты и др. , что придает вакуолярному соку отчетливую кислую реакцию (р. Н от 2 до 5). • Выброс метаболитов – экскреция (алкалоиды – никотин, кофеин, полифенолы). Лекция 5(43) 40

Тема 5. Мембранные структуры цитоплазмы Функции Вак у дрожжей: 1 а – 1 г – перенос и растворение цитоплазматического материала; 2 – мембрана Вак участвует в синтезе лизосомных ферментов; 3, 4 – транспорт микромолекул через мембрану Вак, требующий затраты энергии (Ченцов, 1978) Вакуоли растительных клеток (продолжение) • Функции: накопление запасных веществ, таких, как сахара и белки. Сахара в Вак в виде растворов, встречаются резервные полисахариды типа инулина • В Вак происходит запасание белков, что характерно для семян • Поступление белков в Вак, вероятнее всего, связано со способностью вакуолей ЭР и АГ сливаться с тонопластом. • Запасание белков семян происходит в так называемых алейроновых вакуолях, которые заполняются альбуминами и глобулинами, после чего вакуоли обезвоживаются, превращаясь в твердые алейроновые зерна. • При прорастании семян эти зерна обводняются и снова превращаются в Вак. В таких вакуолях выявляется активность некоторых ферментов (протеазы и РНКазы). • Следовательно, алейроновые Вак напоминают лизосомы, где происходит переваривание запасных белков при прорастании семян • Свойствами лизосом обладают Вак дрожжей (рис. ). Стенки Вак образовывают впячивания внутрь, затем они отщепляются от тонопласта и растворяются внутри вакуоли. 41 Лекция 5(43)

Тема 5. Мембранные структуры цитоплазмы Лекция 5 (43)42 Взаимопревращения мембран вакуолярной системы цитоплазмы • Система вакуолярных структур цитоплазмы представляет единое целое, отдельные элементы переходят друг в друга при перестройке и изменении функций мембран. • Внешняя мембрана ядерной оболочки непосредственно переходит в мембраны гранулярного ЭР – мембраны гладкого ЭР. Из мембран ЭР происходят мембраны тонопласта, сферосом, пероксисом. Мембраны обоих типов ЭР могут в виде мелких вакуолей входить в состав аппарата Гольджи (АГ) • От мембран АГ происходят мембраны секреторных вакуолей и лизосом, и те и другие могут сливаться с плазматической мембраной при экзоцитозе или при слиянии первичных лизосом с фагосомами. • Однако все же в этой системе нужно выделять две подсистемы: одну, связанную с ЭР, прямо не объединяющимся с плазматической мембраной, а только через мембраны другой подсистемы – аппарата Гольджи • Взаимные переходы и слияние клеточных мембран могут быть представлены следующей схемой:

Тема 5. Мембранные структуры цитоплазмы Дополнительная литература 1. Свенсон К. , , Уэбстер П. . Клетка, М. , Мир, 1980 2. Ченцов Ю. С. , Общая цитология, Изд. МГУ, 1978 3. Васильев А. Е. , Воронин Н. С. , Еленевский А. Г. , Серебрякова Т. И. , Шорина И. И. Ботаника. Морфорлогия и анатомия растений, М. , Просвещение, 1988 4. Раздорский В. Ф. Анатомия растений, Советская наука, М. , 1949 5. Эсау К. Анатомия растений, пер. с англ. , Мир, М. , 1969 6. Глебов Р. Н. Эндоцитоз и экзоцитоз, М. , Высшая школа. , 1987 7. Саляев Р. К. , Романенко А. С. , Эндоцитоз, Наука, Новосибирск, 1979 8. Дин Р. Процессы распада в клетках, пер. с англ. , Мир, М. , 1981 9. Лизосомы (методы исследования), Сб. пер. с англ. , Ред. Дж. Дингл, Мр, М. , 1980 10. Уэйли У. Аппарат Гольджи, Мир, М. . 1978 43

Скачать презентацию Тема 5 Мембранные структуры цитоплазмы Эндоплазматическая сеть Аппарат

Мембранные структуры цитоплазмы.ppt

Количество слайдов: 43