Тема 4. Морфология обмена веществ в клетке

Краткое содержание темы

Морфология обмена веществ в клетке - это постоянно меняющееся взаимодействие биологических мембран, организованное в пространстве и во времени (ГЭРЛ-система и поток мембран в клетке), ГЭРЛ-система включает в себя комплекс Гольджи (К. Гольджи, 1898), эндоплазматический ретикулум (К.Портер,1945) и лизосомы (Де Дюв, 1955).

Метаболизм обеспечивается тремя основными функциями клетки:

1. Синтетическая функция - с одной стороны, эндоплазматический ретикулум синтезирует вещества, которые экспортируются из клетки для нужд всего организма (нейромедиаторы, гормоны, ферменты), с другой -свободные рибосомы и полисомы производят вещества, восполняющие и обновляющие цитоплазму самой клетки. Расстройство этой функции наблюдается при всех болезнях, но главным образом нарушения возникают при повреждении эндокринной системы.

2. Энергетическая функция - любая работа клетки сопровождается затратой энергии. Энергетический аппарат представлен митохондриями (Бенда, 1902). Они лабильны, подвижны, быстро повреждаются и быстро адаптируются. Митохондрии осуществляют синтез АТФ, происходящий в результате процессов окисления органических субстратов и фосфорили-рования АДФ. Митохондрия имеет поверхность, образованную наружной и внутренней мембраной. Внутренняя мембрана формирует кристы, погруженные в матрикс митохондрии. На кристах, которые у человека в большинстве клеток пластинчатые, имеются мелкие, грибовидные элементарные единицы величиной около 10 нм. Каждая субъединица состоит из основания, шейки и головки. В основании находятся первый и второй комплексы с HAD (никотинамидадениндинуклеотид) и FAD (флавинадениндинуклеотид), в шейке третий комплекс с цитохромами в и с, в головке четвертый комплекс с цитохромами al-аЗ, совокупность которых называют цитохромоксида-зой. По мембране этих комплексов проходит поток электронов и протонов.

3. Регуляторная функция - целиком зависит от генома клетки и отвечает за правильный ход метаболических процессов. Нарушение этой функции приводит к генетическим или хромосомным болезням.

В ядре клетки путем транскрипции с ДНК синтезируются три типа РНК (рибосомальная, матричная и транспортная-РНК), которые и регулируют образование белков в клетке. Рибосомальная РНК образуется в сетчатой части ядрышка и формирует малую субъединицу рибосомы. Ядрышко рассматривается как самый крупный хромосомный пуф, образованный у человека генами 13, 14, 15, 21 и 22-й хромосом. Периферическая гранулярная часть ядрышка представляет собой группу синтезированных рибо-сомальных субъединиц, которые мигрируют в цитоплазму через ядерные поры в кариолемме. Информационная РНК списывается с ДНК с помощью полимеразы, а затем мигрирует в цитоплазму и становится для рибосомы цитоплазматическим кодоном. Взаимодействуя с малой единицей рибосомы, она транслирует на нее информацию о синтезе соответствующего пептида. Третий тип - транспортная низкомолекулярная РНК. Она постоянно находится в цитоплазме. т-РНК специфична относительно аминокислот. Количество т-РНК соответствует количеству аминокислот - 20. Каждая т-РНК имеет два функционально различных конца: один - антикодон, он комплементарен кодону м-РНК, другой конец т-РНК присоединяет к себе соответствующую аминокислоту. Таким образом, в цитоплазме клетки создается временная структура - матрица, или единица синтеза белка, которая состоит из и-РНК, кодирующей ее состав, рибосомы, производящей сборку, и т-РНК, поставляющей аминокислоты.

Таким образом, клетка представляет собой систему биологических мембран, которые разделяют ее на компартменты (органеллы), выполняющие специальные функции, взаимодействие которых и обеспечивает метаболизм.

Органеллы и их классификация. Органеллы - постоянно присутствующие в цитоплазме клетки структуры, специализирующиеся на выполнении определенных функций. Они подразделяются на органеллы общего значения (1) и специальные органеллы (2):

1) общие органеллы имеются во всех клетках и необходимы для обеспечения их жизнедеятельности - митохондрии, рибосомы, эндоплазмати-Ческая сеть, комплекс Гольджи, лизосомы, пероксисомы, клеточный центр, i труктуры цитоскелета;

2) специальные органеллы имеются лишь в некоторых клетках и обеспечивают выполнение специализированных функций - реснички, жгутики, микроворсинки, миофибриллы, тонофибриллы, нейрофибриллы.

Процессы в клетке проходят в несколько этапов:

1. Поступление веществ в клетку (эндоцитоз). Существуют различные варианты поступления веществ в клетку - пиноцитоз и фагоцитоз. 11од пиноцитозом понимают поступление в клетку воды и растворенных исществ, а фагоцитоз рассматривают как процесс поглощения твердых иобъемных материалов. Кроме того, имеется несколько видов эндоцитоза: общий, или неспецифический - происходит на большей части плазмолчеммы, образуются пузырьки, покрытые гладкой мембраной; специфический - осуществляется в строго определенных участках плазмолеммы, инк рытой со стороны цитоплазмы специальным белком клатрином, I результате формируются окаймленные пузырьки. При специфическом эндоцитозе в клетку поступают липопротеины низкой и очень низкой плотности (ЛПНП). Нарушение специфического эндоцитоза может быть одной из причин в развитии атеросклероза.

2. Гидролиз макромолекул до мономеров. Образовавшаяся в результате эндоцитоза фагосома (пиносома) вступает во взаимодействие с первичной лизосомой, в результате образуется вторичная лизосома, или пищеварительная вакуоль. Ее гидролазы активно трансформируют материал в мономеры - аминокислоты, жирные кислоты, моносахара, которые легко диффундируют в гиалоплазму. Мономеры являются источником для получения энергии и синтеза простых и сложных белков. Нарушение функции лизосом является причиной болезней накопления (болезнь Тей-Сакса).

3. Синтез белков для нужд самой клетки и на экспорт. Обновление живой материи в клетке происходит за счет синтеза белков, приоритетную роль в котором играет ядро. Исполнительными цитоплазматическими орга-неллами для воспроизводства белков служат эндоплазматический ретикулум и свободные рибосомы. Гранулярный ретикулум - это система мембранных пузырьков и канальцев с фиксированными на наружной мембране рибосомами. Белки, синтезируемые шероховатым ретикулумом, предназначены «на экспорт» и имеют значение для функции целого организма. Свободные рибосомы распределены в цитоплазме одиночно либо собраны в полисомы, имеющие вид розеток. Свободные рибосомы рассматриваются как органеллы, синтезирующие белки для самой клетки. Они преобладают над фиксированными рибосомами в растущих, быстро обновляющихся клетках - нормальных и опухолевых. Гладкая эндоплазматическая сеть синтезирует лгатады и полисахариды, выполняет детоксикационные функции. Количественные соотношения между гладкой и шероховатой сетью могут меняться в зависимости от функциональной профилизации клетки. Синтезированные липиды, полисахариды и белки в виде зимогенных пузырьков мигрируют к аппарату Гольджи, где происходит синтез сложных белков, гликопротеинов и липопротеинов, которые заключаются в пузырьки. Секреторные пузырьки транспортируются к плазмолемме, встраиваются в нее и экзоцитируют содержимое в межклеточную среду. Кроме того, в комплексе Гольджи формируются лизосомы.

4.Эвакуация метаболитов, не поддающихся усвоению (телолизосомы или остаточные тельца) и продуктов секреции (секреторные пузырьки) - экзоцитоз.

Хронокарта

1. Организационная часть с мотивацией темы - 5 мин.

2. Программированный контроль - 10 мин.

3. Опрос-беседа - 35 мин.

4. Объяснение препаратов - 10 мин.

5. Перерыв - 15 мин.

6. Контроль за самостоятельной работой студентов. Помощь в работе

с препаратами - 65 мин.

7. Подведение итогов. Проверка альбомов - 10 мин.

Время лабораторного занятия: 3 часа