Некоторые органеллы, имеющие мембраны.

3.1. ЯДРО

Содержимое клеточного ядра (нуклеоплазма) отделено от цитоплазмы ядерной оболочкой. Ядерная оболочка образована двойной мембраной. Сферическая внутренняя ядерная мембрана содержит специфические белки, выступающие в качестве сайтов связывания ядерной ламины, которая поддерживает мембрану и контактирует с хромосомами и ядерными РНК. Эта мембрана окружена внешней ядерной мембраной, очень схожей с мембраной эндоплазматического ретикулума, в которую она переходит. Внешнюю (наружную) ядерную мембрану можно рассматривать как особую часть мембраны ЭР. Подобно мембранам шероховатого ЭР, внешняя ядерная мембрана усеяна рибосомами, участвующими в синтезе белка. Белки, образованные на этих рибосомах, переносятся в пространство между внешней и внутренней ядерными мембранами (перинуклеарное пространство), которое в свою очередь связано с просветом ЭР.

3.2. ЭНДОПЛАЗМАТИЧЕСКИЙ РЕТИКУЛУМ И АППАРАТ ГОЛЬДЖИ.

Эндоплазматический ретикулум [ЭР (ER)] — протяженная замкнутая мембранная структура, построенная из сообщающихся трубкообразных полостей и мешочков, называемых цистернами. В области ядра ЭР сообщается с внешней ядерной мембраной. Между шероховатым и гладким ЭР имеется морфологическое различие: мембраны шероховатого ЭР усеяны множеством рибосом, в то время как гладкий ЭР не имеет связанных рибосом.

Шероховатый ЭР [ШЭР (rER)](1) — место активного биосинтеза белков. Именно здесь синтезируются белки, которые будут функционировать в составе мембран, лизосом или секретироваться из клетки. Остальные белки синтезируются в цитоплазме на рибосомах, не связанных с мембранами ЭР. Белки, синтезированные на шероховатом ЭР (1), претерпевают посттрансляционные модификации. Они либо остаются внутри шероховатого ЭР в виде мембранных белков, либо транспортируются с помощью везикул (2) в аппарат Гольджи (3). Транспортные везикулы образуются почкованием мембран, а затем исчезают, сливаясь с ними(рисунок 3.1.).

Подобно ЭР, аппарат Гольджи (3) представляет собой сложную сеть ограниченных мембранами полостей, имеющих форму диска и являющихся местом созревания и сортировки белков. Имеются цис-, промежуточная и транс-Гольджи-области и транс-Гольджи-сеть. Посттрансляционная модификация белков имеет место в разных областях аппарата Гольджи.

Рис. 3.1.

Наконец, созревшие (модифицированные) белки переносятся везикулами в различные отделы клетки, такие, как лизосомы (4), цитоплазматическая мембрана (6) или секреторные пузырьки (5). Последние высвобождают свое содержимое к межклеточное пространство, сливаясь с плазматической мембраной (экзоцитоз). Эти транспортные процессы могут быть конститутивными, т.е. проходить постоянно, или регуляторными, т.е. управляться химическими сигналами. Направленность процесса в первую очередь зависит от сигнальной последовательности синтезируемого белка.

Наряду с белками в аппарате Гольджи осуществляется транспорт мембранных липидов.

Рис. 3.2.

ГЭР, не имеющий связанных рибосом, называется гладким эндоплазматическим ретикулумом (рисунок 3.2). Он занимает в клетке Сравнительно небольшой объем. Выраженный ГЭР имеется е клетках с активным обменом липидов, таких, как гепатоциты и клетки Лейдига. Для ГЭР характерна замкнутая система разветвленных канальцев.

ГЭР принимает участие в синтезе липидов. Биосинтез осуществляется ферментами, закрепленными на мембранах ГЭР. Здесь локализован синтез фосфолипидов и отдельные стадии синтеза холестерина. В ГЭР специализированных клеток эндокринной системы протекают различные стадии синтеза стероидных гормонов. В ГЭР локализованы также процессы метаболической трансформации ксенобиотиков. В этих реакциях принимает участие система цитохрома Р450, которую считают основной системой ГЭР.

ГЭР выполняет функцию депо ионов Са2+, поддерживающего низкий уровень Са2+ в цитоплазме. Эта функция более всего свойственна саркоплазматическому ретикулуму, специализированной форме ГЭР мышечных клеток. В мембранах ГЭР локализованы управляемые Са2+-каналы и энергозависимые Са2+-насосы, а высокая концентрация ионов Са2+ в цистернах поддерживается при участии Са2+-связывающих белков.

3.3. ЛИЗОСОМА

Лизосомы — это органеллы диаметром 0,2-2,0 мкм, окруженные простой мембраной, способные принимать самые разные формы. Обычно на клетку приходится несколько сотен лизосом. Функция лизосом заключается в деградации клеточных компонентов. Деградация достигается за счет присутствия в лизосомах около 40 типов различных расщепляющих ферментов — гидролаз с оптимумом действия в кислой области. Главный фермент лизосом — кислая фосфатаза. 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 само переваривания о том случае, если лизосомный фермент случайно попадет в цитоплазму. Главная функция лизосом — ферментативная деградация попавших в них макромолекул и органелл(рисунок 3.3).

Рис. 3.3.

Примером может служить деградация отработавших митохондрий по механизму аутофагии (захвата органеллы) (1). После захвата органеллы первичные лизосомы превращаются во вторичные, в которых и идет процесс гидролитического расщепления (2). В итоге образуются «остаточные тела», состоящие из негидролизовавшихся фрагментов. Лизосомы ответственны также за деградацию макромолекул и частиц, захваченных клетками путем эндоцитоза и фагоцитоза, например липопротеинов, протеогормонов и бактерий (гетерофагия). В этом случае лизосомы сливаются с эндосомами (3), содержащими вещества, подлежащие деградации. Первичные лизосомы образуются в аппарате Гольджи.

Функции биомембран.

С участием мембран в той или иной степени осуществляется большинство жизненно важных клеточных функций, например, протекают такие разные процессы. как репликация прокариотической ДНК. биосинтез белков и их секреция. биоэнергетические процессы н функционирование систем гормонального ответа.

Можно условно выделить следующие шесть основных групп функций, связанных с биомембранами (рисунок 4.1).

Рис.4.1 Основные функции биомембран.

1. Ограничение и обособление клеток и органе.. Обособление клеток от межклеточной среды обеспечивается плазматической мембраной. защищающей клетки от механического н химического воздействий. Плазматическая мембрана обеспечивает также сохранение разности концентраций метаболитов и неорганических ионов между внутриклеточной и внешней средой.

2. Контролируемый транспорт метаболитов и ионов. Эта функция обеспечивает поддержание необходимого состава внутриклеточной среды, что существенно для гомеостаза, то есть поддержания постоянной концентрации метаболитов н неорганических ионов и других физиологических параметров. Регулируемый и избирательный транспорт метаболитов и неорганических ионов через поры н посредством переносчиков становится возможным благодаря обособлению клеток и органелл с помощью мембранных систем.

3. Восприятие внеклеточных сигналов и их передача внутрь клетки, а также инициация сигналов.

4. Ферментативный катализ. В мембранах на границе между липидной и водной фазами локализованы ферменты. Именно здесь происходят реакции с неполярными субстратами. Примерами служат биосинтез липидов и метаболизм неполярных ксенобиотиков. В мембранах локализованы наиболее важные реакции энергетического обмена. такие, как окислительное фосфорилирование (дыхательная цепь) н фотосинтез.

5. Контактное взаимодействие с межклеточным матриксом и взаимодействие с другими метками при слиянии клеток и образовании тканей.

6. Заякоривание цитоскелета, обеспечивающее подержание формы клетки и органелл и клеточной подвижности.

Дополнение.

Модельные мембраны

Изучение физических свойств липидного слоя мембран осуществляется

преимущественно на двух видах искусственных мембранных структур, образованных синтетическими фосфолипидами или липидами, выделенными из биологических источников: липосомах и бислойных липидных мембрана (БЛМ).

Липосомы.

Липосомы - это липидные везикулы (пузырьки), образующиеся из фосфолипидов в водных растворах. Чтобы получить липосомы, спиртовый раствор фосфолипидов впрыскивают в большой объем водного раствора фосфолипиды, нерастворимые в воде, образуют мелкие пузырьки, стенки которых состоят из одного липидного бислоя (однослойные липосомы). Можно сначала высушить раствор фосфолипидов в органическом растворителе

(например, хлороформе) в пробирке, добавить в пробирку водный раствор и

хорошенько потрясти пробирку. Липиды переходят в водный раствор, теперь уже в виде многослойных липосом. Суспензию липосом обычно используют для изучения физических свойств липидного бислоя как вязкость, поверхностный заряд или диэлектрическая проницаемость, а также для изучения проницаемости для незаряженных молекул.

Бислойные липидные мембраны (БЛМ).

Для изучения ионной проницаемости липидного слоя мембран используют БЛМ.

Для приготовления БЛМ (см. рис. 5.1) в стаканчик с раствором электролита помещают второй, тефлоновый стаканчик, в стенку которого сделано отверстие, диаметром около 1 мм.

Рис. 5.1. Установка для изучения электрических свойств бислойной липидной мембраны (БЛМ). 1 - Стакан с раствором электролита (2), 3 - Тефлоновый стаканчик с отверстием (4), 4 - БЛМ, 5 и 6 - неполяризующиеся электроды.

С помощью капилляра в отверстие вводят маленькую каплю раствора фосфолипида

в жидком углеводороде, гептане или гексане (Рис. 5.2, А).

Рис. 5.2. Стадии приготовления БЛМ.

Молекулы фосфолипидов собираются на поверхности капли таким образом, что полярные головки молекул обращены в водную среду, а гидрофобные хвосты -

внутрь капли (рис. 5.2Б). Постепенно растворитель уходит из капли и

улетучивается, а капля превращается в липидную пленку (БЛМ), рис. 5.2, С и D).

В БЛМ полярные головки фосфолипидов обращены в водную фазу, а неполярные углеводородные цепи жирных кислот сливаются в сплошную вязкую фазу во внутренней части липидной мембраны. По многим свойствам эта пленка сходна с липидным слоем биологических мембран.

Список используемой литратуры:

1. "Наглядная биохимия" Кольман А., Рём К. -Г.

2. "Биологичски активные" С. Г. Галактионов

3. "Биология. Том 1" Ярыгин В.Н., Васильева В.И., Волков И.Н., Синельщикова В.В.

4. "Биологические мембраны" А.Н. Огурцов

5. "Мембранный транспорт" Котык А. и Яначек К..

6. "Биологические мембраны. Строение, свойства, функции" Ю. А. Владимиров

7. «Биомембраны. Молекулярная структура и функции» Р. Геннис