Вакуолярная сеть. 
Вакуолярная сеть

В состав вакуолярной системы входят различные в морфологическом и функциональном отношении компоненты, она представляет собой единое целое. Отдельные ее элементы выполняют разные функции, как бы дополняющие и связывающие друг друга.

Открытие этой мембранной структуры произошло на заре электронной микроскопии. В 1945 г. К. Портер с сотрудниками изучал фибробласты цыплят. Портер увидел в электронном микроскопе, что зона эндоплазмы заполнена большим числом мелких вакуолей и каналов, соединяющихся друг с другом и образующих что-то наподобие рыхлой сети (ретикулум). Было видно, что стенки этих вакуолей и канальцев ограничены тонкими мембранами. Так был обнаружен эндоплазматический ретикулум, или эндоплазматическая сеть. Позднее, в 50-х гг., при использовании метода ультратонких срезов удалось выяснить структуру этого образования и обнаружить его неоднородность. Самым главным оказалось, что эндоплазматический ретикулум (ЭР) встречается практически у всех эукариотов.

Рисунок 5.1. Эндоплазматический ретикулум.

Подобный электронно-микроскопический анализ позволил выделить два типа ЭР. Итак, различают два вида ЭПС — шероховатую (гранулярную) и гладкую (агранулярную).

Эндоплазматическая сеть, или эндоплазматический ретикулум (ЭПР) (лат. reticulum — сеточка), — одномембранный органоид. Представляет собой систему мембран, формирующих «цистерны» и каналы, соединенных друг с другом и ограничивающих единое внутреннее пространство — полости ЭПС.

Гранулярный ЭР может в клетках быть представлен или в виде редких разрозненных мембран или же в виде локальных скоплений таких мембран (эргастоплазма). Первый тип гранулярного ЭР характерен для недифференцированных клеток или клеток с низкой метаболической активностью. Эргастоплазма характерна для клеток, активно синтезирующих секреторные белки. Так, в клетках печени гранулярный ЭР собран в отдельные зоны (тельца Берга), так же как в некоторых нервных клетках (тигроид). В клетках поджелудочной железы гранулярный ЭР в виде плотно упакованных друг около друга мембранных цистерн занимает базальную и околоядерную зоны клетки.

Наличие полисом на мембранах однозначно показывает, что гранулярный ЭР является важным местом синтеза белков.

Количество рибосом на ЭР четко связано с его синтетической активностью, а также могут принимать участие в синтезе и отделении разных белков.

Кроме синтеза белка и его сегрегации элементы гранулярного ЭР участвуют еще в ряде процессов. Было обнаружено, что ново синтезированный 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 до конца не ясен, но он требует для своего осуществления АТФ. Белки, накапливающиеся в полостях ЭР, затем оказываются транспортированными в вакуоли аппарата Гольджи, откуда они переходят в другие вакуоли или выводятся из клетки.

Конкретнее, гранулярная ЭПС на наружной поверхности мембран содержит рибосомы, на которых происходит биосинтез белков на экспорт. При этом образующиеся на рибосомах полипептидные цепи белка поступают внутрь канальцев ЭПС, где формируется их вторичная и третичная структура. Затем они транспортируются по каналам ЭПС, отшнуровываются от них в виде мелких пузырьков, которые вливаются в цистерны комплекса Гольджи.

В гранулярном ЭР может происходить модификация белков, связывание их с сахарами (глюкозилирование). Кроме того, в ряде случаев внутри канальцев или вакуолей гранулированного ЭР происходит конденсация синтезированных белков с образованием крупных агрегатов — секреторных гранул.

Важнейшей функцией гранулярного ЭР, вне зависимости от специализации или таксономической принадлежности клеток, является функция образования, построения клеточных мембран, которая заключается в том, что элементы гранулярного ЭР синтезируют все мембранные белки, синтезируют липидный компонент мембран, но, кроме того, именно в гранулярном ЭР происходит сборка липопротеидных мембран.

эндоплазматический ретикулум гольджи белок.

Рисунок 5.2. Схематическое представление клеточного ядра, эндоплазматического ретикулума и комплекса Гольджи. 1 — ядро клетки, 2 — поры ядерной мембраны, 3 — гранулярный эндоплазматический ретикулум, 4 — агранулярный эндоплазматический ретикулум, 5 — рибосомы на поверхности гранулярного эндоплазматического ретикулума, 6 — макромолекулы, 7 — транспортные везикулы, 8 — комплекс Гольджи, 9 — цис-Гольджи, 10 — транс-Гольджи, 11 — цистерны Гольджи.

Агранулярная ЭР представляет собой часть мембранной ретикулярной системы. В морфологическом отношении от также представлен мембранами, образующими мелкие вакуоли и трубки, канальцы, которые могут ветвиться, сливаться друг с другом. В отличие от гранулярного на мембранах гладкого ЭР не имеет на своей поверхности рибосом. В ней синтезируются сложные липиды (холестерин, стероидные гормоны) и углеводы (гликоген). Кроме того, в ней происходит обезвреживание чужеродных веществ (ксенобиотиков), к которым относятся и многие лекарственные вещества, с помощью ферментов семейства цитохрома Р450, а также депонирование ионов Са²⁺. При гомогенизации ткани для биохимического исследования цитоплазматическая сеть разрушается и ее фрагменты сливаются в пузырьки (микросомы).

Функции: транспорт веществ из одной части клетки в другую; разделение цитоплазмы клетки на компартменты; синтез углеводов и липидов (гладкая ЭПС); синтез белка (шероховатая ЭПС); место образования аппарата Гольджи.

Аппарат Гольджи, или комплекс Гольджи, или пластинчатый комплекс — одномембранный органоид. Аппарат Гольджи обычно расположен около клеточного ядра (в животных клетках часто вблизи клеточного центра).

Описание структуры аппарата Гольджи тесно связано с описанием его основных биохимических функций, поскольку подразделение этого клеточного компартмента на отделы производится преимущественно на основе локализации ферментов, расположенных в том или ином отделе. Чаще всего в аппарате Гольджи выделяют четыре основных отдела: цис-Гольджи, медиал-Гольджи, транс-Гольджи и транс-Гольджи сеть (TGN). К аппарату Гольджи иногда относят, так называемый, промежуточный компартмент, представляющий собой скопление мембранных пузырьков между эндоплазматическим ретикулумом и цис-Гольджи. Аппарат Гольджи является очень полиморфной органеллой; в клетках разных типов и даже на разных стадиях развития одной и той же клетки он может выглядеть по-разному. Основные его характеристики таковы:

• 1) наличие стопки из нескольких (обычно 3−8) уплощенных цистерн, более или менее плотно прилегающих друг к другу. Такая стопка всегда бывает окружена некоторым (иногда очень значительным) количеством мембранных пузырьков. В животных клетках чаще можно встретить одну стопку, в то время как в растительных клетках их обычно бывает несколько; каждую из них в таком случае называют диктиосомой. Отдельные диктиосомы могут быть связаны между собой системой вакуолей, образуя трехмерную сеть;
• 2) композиционная гетерогенность, выражающаяся в том, что постоянные (resident) ферменты неоднородно распределены по органелле;
• 3) полярность, то есть наличие цис-стороны, обращенной к эндоплазматическому ретикулуму и ядру, и транс-стороны, обращенной к поверхности клетки (это особенно характерно для секретирующих клеток);
• 4) ассоциация с микротрубочками и областью центриоли. Разрушение микротрубочек деполимеризующими агентами приводит к фрагментации аппарата Гольджи, однако его функции при этом существенно не затрагиваются. Аналогичная фрагментация наблюдается и в естественных условиях, во время митоза. После восстановления системы микротрубочек разбросанные по клетке элементы аппарата Гольджи собираются (по микротрубочкам) в область центриоли, и реконструируется нормальный комплекс Гольджи.

Аппарат Гольджи в основном предназначен для выведения веществ, синтезированных в эндоплазматическом ретикулуме. Комплекс Гольджи был назван так в честь итальянского ученого Камилло Гольджи, впервые обнаружившего его в 1898 году.

В цистернах Аппарата Гольджи созревают белки, предназначенные для секреции, трансмембранные белки плазматической мембраны, белки лизосом и т. д. Созревающие белки последовательно перемещаются по цистернам органеллы, в которых происходит их окончательное сворачивание, а также модификации — гликозилирование и фосфорилирование.

Аппарат Гольджи ассиметричен — цистерны располагающиеся ближе к ядру клетки (цис-Гольджи) содержат наименее зрелые белки, к этим цистернам непрерывно присоединяются мембранные пузырьки — везикулы, отпочковывающиеся от гранулярного эндоплазматического ретикулума (ЭР), на мембранах которого и происходит синтез белков рибосомами.

Разные цистерны Аппарата Гольджи содержат разные резидентные каталитические ферменты и, следовательно, с созревающими белками в них последовательно происходят разные процессы. Понятно, что такой ступенчатый процесс должен как-то контролироваться. Действительно, созревающие белки «маркируются» специальными полисахаридными остатками (преимущественно маннозными), по-видимому, играющими роль своебразного «знака качества».

Не до конца понятно, каким образом созревающие белки перемещаются по цистернам Аппарата Гольджи, в то время как резидентные белки остаются в большей или меньшей степени ассоциированы с одной цистерной. Существуют две взаимо не исключающие гипотезы, объясняющие этот механизм. Согласно первой, транспорт белков осуществляется при помощи таких же механизмов везикулярного транспорта, как и путь транспорта из ЭР, причем резидентные белки не включаются в отпочковывающуюся везикулу. Согласно второй, происходит непрерывное передвижение (созревание) самих цистерн, их сборка из пузырьков с одного конца и разборка с другого конца органеллы, а резидентные белки перемещаются ретроградно (в обратном направлении) при помощи везикулярного транспорта.

Рисунок 5.3. Транспорт белков.

В конце концов, от противоположного конца органеллы (транс-Гольджи) отпочковываются пузырьки, содержащие полностью зрелые белки.

В комплексе Гольджи происходит:

• 1. О-гликозилирование, к белкам присоединяются сложные сахара через атом кислорода.
• 2. Фосфорилирование (присоединение к белкам остатка ортофосфорной кислоты).
• 3. Образование лизосом.
• 4. Образование клеточной стенки (у растений).
• 5. Участие в везикулярном транспорте (формирование трехбелкового потока):

созревание и транспорт белков плазматической мембраны;

созревание и транспорт секретов;

созревание и транспорт ферментов лизосом.

Аппарат Гольджи — это специализированная часть эндоплазматического ретикулума, состоящая из собранных в стопки плоских мембранных мешочков. Он участвует в секреции клеткой белков (в нем происходит упаковка секретируемых белков в гранулы) и поэтому особенно развит в клетках, выполняющих секреторную функцию. К важным функциям аппарата Гольджи относится также присоединение углеводных групп к белкам и использование этих белков для построения клеточной мембраны и мембраны лизосом. У некоторых водорослей в аппарате Гольджи осуществляется синтез волокон целлюлозы.

Функцией аппарата Гольджи является транспорт и химическая модификация поступающих в него веществ. Исходным субстратом для ферментов являются белки, поступающие в аппарат Гольджи из эндоплазматического ретикулума. После модификации и концентрирования, ферменты в пузырьках Гольджи переносятся к «месту назначения», например к месту образования новой почки. Наиболее активно этот перенос осуществляется с участием цитоплазматических микротрубочек. Функции аппарата Гольджи очень многообразны. К ним можно отнести:

• 1) сортировку, накопление и выведение секреторных продуктов;
• 2) завершение посттрансляционной модификации белков (гликозилирование, сульфатирование и т. д.);
• 3) накопление молекул липидов и образование липопротеидов;
• 4) образование лизосом;
• 5) синтез полисахаридов для образования гликопротеидов, восков, камеди, слизей, веществ матрикса клеточных стенок растений
• (гемицеллюлоза, пектины) и т. п.
• 6) формирование клеточной пластинки после деления ядра в растительных клетках;
• 7) участие в формировании акросомы;
• 8) формирование сократимых вакуолей простейших.

Пока самыми изученными с биохимической точки зрения остаются функции, связанные с транспортом и модификацией новосинтезированных белков.

Лизосомы — одномембранные органоиды. Представление о лизосомах связаны с понятием о так называемых «микротельцах», впервые описанных Роденом, в проксимальных канальцах почки, а затем исследованных в печени при различных экспериментальных условиях Рулье и Бернгардом. Эти микротельца, значительно менее многочисленные, чем митохондрии, окружены только одной хорошо выраженной мембраной и содержат тонкозернистое вещество, которое может конденсироваться в центре, образуя непрозрачную гомогенную сердцевину. Эти микротельца часто находят вблизи желчных канальцев. Их выделяли при помощи центрифугирования и отнесли к лизосомам. Рулье и Бернгард показали, что число микротелец значительно увеличивается в печени, регенирующей после гепатэктомии или отравления химическими веществами, которые разрушают печеночные клетки (четыреххлористый углерод), а также при кормлении, возобновленном после голодания.

Термин «лизосома», обозначающий литические частицы, был введен в 1955 году Христианом де Дювом для связанных с мембранами органелл, содержащих пять кислых гидролаз, которые изучались де Дювом и его коллегами на протяжении нескольких лет. В настоящее время о лизосомах накоплено огромное количество сведений, известно около 40 типов различных гидролитических ферментов. Большое внимание уделяется исследованию ряда генетических дефектов ферментов, локализованных в этих органеллах и связанных с ними лизосомных болезней накопления.

Лизосомы представляют собой мелкие пузырьки, содержащие набор гидролитических ферментов. Ферменты синтезируются на шероховатой ЭПС, перемещаются в аппарат Гольджи, где происходит их модификация и упаковка в мембранные пузырьки, которые после отделения от аппарата Гольджи становятся собственно лизосомами. Обычно на клетку приходится несколько сотен лизосом. В мембране лизосом находятся АТФ-зависимые протонные насосы вакуольного типа. Они обогащают лизосомы протонами, вследствие чего для внутренней среды лизосом рН 4,5−5,0 (в то время как в цитоплазме рН 7,0−7,3). Лизосомные ферменты имеют оптимум рН около 5,0, т. е. в кислой области. При рН, близких к нейтральным, характерным для цитоплазмы, эти ферменты обладают низкой активностью. Очевидно, это служит механизмом защиты клеток от самопереваривания о том случае, если лизосомный фермент, случайно, попадет в цитоплазму.

Рисунок 5.4. Схематичное строение лизосомы.

Строение мембраны лизосом представляет собой комбинацию участков построенных по пластинчатому и мицеллярному типу. Мицеллы находятся в динамичном равновесие с пластинчатыми участками — это равновесие зависит от условий среды. Полярные группы фосфолипидов образуют поверхность мицеллы, а неполярные участки обращены внутрь. Пространство между молекулами липидов занято водой. Мицеллярные участки содержат длинные поры. Эти поры заполнены водой и могут закрываться полярными группами липидов. Подобная организация мембраны обеспечивает проницаемость не только для гидрофильных, но и для гидрофобных веществ.

Лизосома может содержать от 20 до 60 различных видов гидролитических ферментов. Расщепление веществ с помощью ферментов называют лизисом.

Рисунок 5.5. Формирование лизосом в комплексе Гольджи.

Различают первичные, вторичные, третичные и четвертичные лизосомы.

Первичными называются лизосомы, отшнуровавшиеся от аппарата Гольджи. Они являются фактором, обеспечивающим экзоцитоз ферментов из клетки.

Вторичными называются лизосомы (фаголизосомы, фагосомы), образовавшиеся в результате слияния первичных лизосом с эндоцитозными вакуолями. В этом случае в них происходит переваривание веществ, поступивших в клетку путем фагоцитоза или пиноцитоза, поэтому их можно назвать пищеварительными вакуолями.

Тритичные лизосомы (остаточные тельца) содержат непереваренные остатки содержимого фагосом (миелиновые фигуры, гранулы липофусцина). Особенно много остаточных телец накапливается в долгоживущих, стареющих клетках или при недостаточности лизосомальных ферментов (лизосомные болезни, болезни накопления).

В четвертичных лизосомах (аутолизосомахили цитолизосомах) подвергаются разрушению собственные клеточные структуры, которые завершили свою жизнь. Аутолизосомы постоянно встречаются в клетках животных. По своей морфологии их относят к вторичным лизосомам, но с тем отличием, что в составе этих вакуолей встречаются фрагменты или даже целые цитоплазматические структуры, например, митохондрии, элементы цитоплазматической сети, рибосомы, гранулы гликогена и др.

Функции лизосом: основная роль заключается в участии в процессах внутриклеточного расщепления как экзогенных, так и эндогенных биологических макромолекул; уничтожение ненужных клеточных и неклеточных структур; участие в процессах реорганизации клеток.

Вакуоли — одномембранные органоиды, представляют собой «ёмкости», заполненные водными растворами органических и неорганических веществ. В образовании вакуолей принимают участие ЭПС и аппарат Гольджи.

Рисунок 5.6. Вакуоль.

Различают пищеварительные и сократительные вакуоли, регулирующие осмотическое давление и служащие для выведения из организма продуктов распада. Вакуоли особенно хорошо заметны в клетках растений: во многих зрелых клетках растений они составляют более половины объёма клетки. Одна из важных функций растительных вакуолей — накопление ионов и поддержание тургорного давления. Вакуоль — это место запаса воды. Мембрана, в которую заключена вакуоль, называется тонопласт. Жидкость, заполняющая растительную вакуоль, называется клеточным соком, в состав которого входят водорастворимые органические и неорганические соли, моносахариды, дисахариды, аминокислоты, конечные или токсические продукты обмена веществ (гликозиды, алкалоиды), некоторые пигменты (антоцианы). В животных клетках имеются мелкие пищеварительные и автофагические вакуоли, относящиеся к группе вторичных лизосом и содержащие гидролитические ферменты. У одноклеточных животных есть ещё сократительные вакуоли, выполняющие функцию осморегуляции и выделения.

Функции вакуоли: накопление и хранение воды; регуляция водно-солевого обмена; поддержание тургорного давления; накопление водорастворимых метаболитов, запасных питательных веществ; окрашивание цветов и плодов и привлечение тем самым опылителей и рапространителей семян.

Секреторные пузырьки. В клетках, в которых секреция происходит в ответ на внеклеточный сигнал, секретируемые белки концентрируются и хранятся в секреторных пузырьках (их часто называют секреторными гранулами из-за темной сердцевины). При получении соответствующего сигнала они высвобождаются путем экзоцитоза. Секреторные пузырьки отпочковываются от транс-сети Гольджи. После того, как незрелые секреторные пузырьки отпочкуются от транс-сети Гольджи, они утрачивают кайму, и их содержимое сильно концентрируется. Такая конденсация происходит резко и, возможно, вызывается закислением среды в полости пузырька за счет работы АТР-зависимой протонной помпы в его мембране. Агрегация секретируемых белков (или других компонентов) и последующая их конденсация в секреторных пузырьках обусловливает увеличение концентрации этих белков в 200 раз по сравнению с аппаратом Гольджи. Благодаря этому секреторные пузырьки имеют возможность высвобождать по «команде» большие количества материала. Эндоплазматическая сеть, аппарат Гольджи, лизосомы и вакуоли образуют единую вакуолярную сеть клетки, отдельные элементы которой могут переходить друг в друга.

Вопросы для самоконтроля

• 1. Какие отличия между гранулярной и агранулярной ЭПС?
• 2. Какая важнейшая функция гранулярного ЭР?
• 3. Какие функции выполняет Аппарат Гольджи?
• 4. Что такое лизис?
• 5. В чем отличие первичных, вторичных, третичных и четвертичных лизосом друг от друга?
• 6. В чем состоит роль лизосом?
• 7. Какая одна из важных функций растительных вакуолей?
• 8. Как называется мембрана, в которую заключена вакуоль?
• 9. Как называется жидкость, заполняющая растительную вакуоль?
• 10. Какую функцию выполняют вакуоли?
• 11. Какую функцию выполняют сократительные вакуоли?
• 12. Какую функцию выполняют секреторные пузырьки?
• 13. Какие органоиды образуют единую вакуолярную сеть?