Основы клеточной биологии

Тема: «Основы клеточной биологии.

Структурно-функциональная организация животной клетки»

Вопрос 1. Классификации органелл.

2. Органеллы – постоянные клеточные структуры, расположенные в гиалоплазме. Их подразделяют на органеллы общего значения (обязательно есть во всех клетках) и специальные органеллы (реснички, жгутики, микроворсинки, миофибриллы, акросома), которые встречаются лишь в некоторых типах клеток.

           По строению выделяют мембранные и немембранные органеллы. Существует 5 мембранных органелл общего значения (митохондрии, эндоплазматическая сеть – ЭПС, комплекс Гольджи – кГ, лизосомы и пероксисомы) и 2 немембранных – рибосомы и клеточный центр.

В зависимости от функций, органеллы принято распределять по функциональным системам (аппаратам) клетки.

Вопрос 2. Синтетический аппарат клетки: рибосомы, эндоплазматическая сеть, комплекс Гольджи.

Синтетический аппарат клетки обеспечивает синтезы различных веществ и включает ЭПС, кГ и рибосомы.

Рибосомы – округлые мелкие, немембранные органеллы, состоящие из двух округлых субъединиц – малой и большой. Каждая субъединица образованы рибосомальной РНК и сложным набором белков. Синтез рРНК и сборка субъединиц происходит в ядрышке, а их объединение – уже в цитоплазме. Рибосомы обеспечивают процесс трансляции белка. Малая субъединица связывается с иРНК, а большая катализирует образование пептидных связей между аминокислотами.

Одиночные рибосомы неактивны и для белкового синтеза они объединяются в цепочки, нанизываясь на молекулу иРНК. Так образуются полисомы. Свободные полисомы синтезируют белки,  которые диффузно распределяются в гиалоплазме.

Синтез мембранных белков, лизосомальных белков и секреторных белков, которые будут выведены за пределы клетки, осуществляют полисомы, прикрепленные к ЭПС.

При синтезе секреторных и лизосомальныз белков используется особый механизм, который позволяет полипептидной цепи  проникать внутрь полости ЭПС. После завершения синтеза молекула приобретает вторичную и третичную структуру и выйти наружу уже не может. Синтез таких белков начинается с особого участка – сигнального пептида. Благодаря ему рибосома соединяется с рибофорином – белком, который встроен в мембрану ЭПС. В присоединении участвует еще и специальный мембранный рецептор ЭПС. После присоединения рибосомы рибофорин приобретает форму канала, через который проходит синтезируемая полипептидная цепь. Когда белковая молекула готова, сигнальный участок отсоединяется.

Если синтезируется мембранный белок, то в полипептидной цепи оказывается еще один участок, который заякоривает белковую цепь в мембране.

 

ЭПС представляет собой сложную систему мембранных полостей. Обычно в форме плоских цистерн, распределенных по всей клетке.

Есть два типа ЭПС – гранулярная и агранулярная. К поверхности грЭПС прикрепляются полисомы.

Итак, главные функции грЭПС: синтез, химическая модификация, накопление и транспортировка белков.

Агранулярная ЭПС является продолжением грЭПС, но лишена я ЭПС является продолжением грЭПС, но лишена рибосом и имеет иной набор белков-ферментов. аЭПС – трубчатыми каналами. У нее множество функций:

  1. Синтез липидов и холестерина, поэтому ее много в клетках, синтезирующих стероидные  гормоны и жиры.
  2. Синтез гликогена (клетки печени)
  3. Детоксикация вредных веществ (лекарственные препараты, алкоголь, токсины)
  4. Накопление Са2+, необходимого для сокращения мышечных клеток.

От ЭПС отшнуровываются транспортные пузырьки, содержащие синтезированные вещества, перемещаются в сторону комплекса Гольджи и сливаются с ним.

Комплекс Гольджи – мембранная органелла, представленная диктиосомами (стопка из 3-10 плоских цистерн). Диктиосома имеет незрелую поверхность, обращенную к ЭПС (цис-) и зрелую, обращенную к плазмолемме (транс-).  С цис-поверхностью сливаются транспортные мембранные пузырьки, содержащие продукты синтеза,  которые отшнуровываются от ЭПС. Вещества, попавшие в полости кГ, направляются в различные части диктиосомы, где подвергаются процессингу. Это химические превращения молекул – к ним могут присоединяются сахара, сульфатные и фосфатные группы, белковые молекулы могут частично расщепляться и т.д.

От боковых участков кГ отшнуровываются гидролазные пузырьки, заполненные гидролитическими ферментами. Из них формируются лизосомы.

Функции кГ:

  1. Синтез полисахаридов и гликопротеинов (слизь, гликокаликс).
  2. Процессинг молекул
  3. Накопление продуктов синтеза, их упаковка и транспортировка.
  4. Формирование лизосом.

Вопрос 3. Аппарат внутриклеточного переваривания включает эндосомы и лизосомы и обеспечивает расщепление крупных молекул. Эндосомы – это мембранные пузырьки, которые образуются при эндоцитозе (фаго- или пиноцитозе). Они содержат протеазы, которые в условиях слабокислой среды осуществляют мягкое, ограниченное расщепление захваченных продуктов. Прежде всего, здесь распадаются крупные комплексы: гормон-рецептор, антиген-антитело и т.д., а при дальнейшем закислении до рН – 5.5 начинается более глубокое переваривание. Эндосомы должны слиться с гидролазными пузырьками. Гидролазные пузырьки (первичные лизосомы) – мелкие мембранные вакуоли, которые отшнуровываются от кГ и содержат различные гидролитические ферменты: протеазы, нуклеазы, липазы  в неактивной форме.

После этого слияния образуется лизосома (эндолизоса, вторичная лизосома). Благодаря мембранному ферменту Н+ АТФазе, которая работает как  протонная помпа, внутри лизосомы среда быстро становится кислой. Ее ферменты переходят в активную форму и расщепляют макромолекулы до низкомолекулярных веществ, которые через мембрану диффундируют в гиалоплазму.

Различают несколько видов лизосом:

Фаголизосома осуществляет гетерофагию, т.е. переваривает материал, захваченный при фагоцитозе. Гетерофагия – важнейший механизм, который снабжает клетку питательными веществами и используется клетками защитной системы организма – макрофагами и нетрофилами.

Аутофаголизосома   переваривает собственные компоненты клетки, подлежащие замене. Поэтому происходит постоянное обновление клеточных структур. Например, в нейронах 70-летнего человека большинство органелл не старше 1 месяца.

Остаточное тельце – содержит непереваренный материал, который так и хранится внутри клетки или выделяется за ее пределы. Пример – липофусциновые гранулы, содержащие «пигмент старения», которые постепенно накапливаются в долгоживущих клетках – нейронах, кардиомиоцитах и мешают их работе.

Вопрос 4.

Пероксисомы близки по строению к лизосомам. Их матрикс содержит около 15 ферментов, среди которых наиболее значимыми являются пероксидаза, каталаза и оксидаза.  Главная их функция – защита клетки от перекиси водорода, которая образуется при окислительных реакциях. Пероксисомы расщепляют ее до кислорода и воды. Кроме того, их ферменты обезвреживают ряд веществ, например, этиловый спирт. Много клеток содержат клетки печени и почек.

Недавно выделили новый клеасс наследственный заболеваний- пероксисомные болезни, которые могут приводить к смерти уже в детском возрасте.

Вопрос 5.

         Энергетический аппарат клетки включает митохондрии.

Митохондрии – округлые продолговатые органеллы, окруженные двумя мембранами. Наружная гладкая, а внутренняя образует глубокие складки – кристы. На поверхности крист расположены мелкие частички – оксисомы. Они сопрягают процессы окисления и фосфорилирования. Внутри митохондрий находится матрикс – вещество, содержащее множество ферментов, необходимых для процесса окислительного фосфорилирования, а также митохондриальные рибосомы и митохондриальную ДНК. Эта ДНК определяет цитоплазматическую наследственность и передается только по материнской линии.

В митохондриях происходит синтез АТФ – вещества, которое снабжает всю клетку энергией.

Митохондрии бывают с пластинчатыми и везикулярными кристами.

Новые митохондрии образуются путем деления старых.

Вопрос 6. Строение ядра и функции ядра. Ядерная оболочка. Организация  хроматина.

Ядро

Ядро хранит, реализует, воспроизводит и передает генетическую информацию. Обычно ядро одно и его размеры относительно постоянны для клеток каждого типа. Ядро присутствует только в интерфазной клетке и содержит 4 компонента:

  1. кариолемма (ядерная оболочка)
  2. хроматин
  3. ядрышко
  4. кариоплазма

Оболочка состоит из двух мембран, которые смыкаются в области ядерных пор. Пор может быть несколько тысяч. Каждая образована комплексом, который включает: – 8 белковых гранул – 8 фибрилл и центральная гранулу. Поры обеспечивают транспорт молекул, в частности – активный транспорт определенных белков, а также перенос рибосом. Наружная мембрана – это продолжение гр ЭПС.

Внутренняя мембрана связаны со слоем тонких нитей – филаментов, образующих ламину – ядерный скелет, поддерживающий форму ядра и укладку хроматина.

Хроматин это комплекс ДНК и белка и он соответствует интерфазным хромосомам. Эухроматин не виден в микроскоп, это деспирализованные участки ДНК, открытые для транскрипции.

Гетерохроматин конденсирован и виден в микроскоп в виде глыбок. Таким образом, по их соотношению можно судить об активности ядер.

Ободок гетерохроматина обязательно есть под кариолеммой, где связан с ламиной.

Упаковка хроматина – очень сложный процесс. Представьте – нить длиной 20 км, нужно уложить размером с теннисный шарик и чтобы они не были спутаны. А ведь эта упаковка еще предусматривает и контроль за активностью генов (работающие участки должны быть распакованы).

Уровни упаковки: нуклеосомы – образуют нуклеосомную нить, которая скручивается в хроматиновую фибриллу. При делении фибриллы образуют петли (1-несколько генов) – хромосомы. Упаковка происходит при участии гистоновых белков.

Ядрышко видно в ядре как плотная гранула. Его функция – синтез р-РНК и сборка рибосомальных субъединиц. Размеры и число ядрышек увеличиваются в функционально активных клетках (особенно крупные в эмбриональных и раковых клетках).

Вопрос 7. Жизненный цикл клетки. Способы клеточной репродукции

Жизненный цикл  клетки

Это жизнь клетки от деления до гибели или до следующего деления (тогда – клеточный цикл). Включает интерфазу и митоз. Интерфаза делится на G1, S , G2-периоды.  B G1-периоде клетка активно синтезирует белки и РНК, быстро растет и формирует необходимое число органелл.

Одновременно синтезируются и запускающие белки – активаторы S –периода. При определенной концентрации клетка оказывается в точке рестрикции и вступает в S-период.

Если клетка не достигает этой точки, то вступает в период репродуктивного покоя. И либо дифференцируется и выполняет свои функции, либо переживает неблагоприятных условиях, либо осуществляет репарацию поврежденной ДНК. Способна ли клетка вернуться обратно в митотический цикл, зависит от типа ткани.

Есть три основных типа клеток, различных по жизненному циклу:

  1. 1.                                                              Стволовые клетки. Эти клетки способны к постоянному делению, но делают это редко. А вот их потомки делятся интенсивно.
  2. 2.                                                               Дифференцированные клетки.

а)      Необратимые постмитотические клетки. Они потеряли способность к делению и выходят в G0-период. Это нейроны и сердечные мышечные клетки. Они дифференцируются, функционируют и погибают.

б)     Обратимые постмитотические клетки. Эти клетки (например, клетки печени) входят в период G0, но сохраняют возможность делиться.

В соответствии с этим и ткани могут быть:

1. Статические. Только дифференцированные клетки. Стволовых нет. Нервная и сердечная мышечная ткани.

2.                     Растущие. Содержат дифференцированные клетки обоих типов.

Такова паренхима печени, почек, щитовидной железы. При определенных ситуациях (удаление части органа) покоящиеся клетки быстро возвраща­ются в митотический цикл и, размножаясь, восстанавливают численность клеточной популяции.

3.                     Обновляющиеся.  В них высока скорость и митозов и апоптоза. Обязательно содержат как дифференцированные, так и стволовые клетки.

 

Способность клетки или ткани восстанавливать утраченные части назы­вается регенерацией. Физиологическая регенерация — это естественное обновление старых компонентов или целых клеток, репаративная регенерация — восстановление клеток или тканией после повреждения.

Внутриклеточная регенерация — восстановление ста­рых, разрушившихся  частей клетки. Клеточная регенерация — это регенерация ткани за счет деления клеток.

Вопрос 8. Реактивные свойства клеток

Реактивные изменения клеток — изменения структуры и функции кле­ток под воздействием внешних факторов. Если вредный фактор не вызывает гибели клеток, то происходят компенсаторные изменения.

Например, стимулируется митоз. Больше клеток – легче справиться с нагрузкой. Это явление называется гиперплазией.

Если клетка не может делиться, она может увеличиваться в размерах. Это гипертрофия.

Могут образовываться полиплоидные и
двуядерные клетки. Они также менее чувствительны к повреждающему фактору. Может возрастать метаболизм и функциональная активность.

Однако, при воздействии на клетку запредельных факторов она подвергает­ся разрушению — некрозу.

      Обычно некроз захватывает целые группы клеток.

При некрозе происходит разрушение ядерной оболочки, плазмолеммы и мембран органелл, разрушение и растворение ядра, набухание цитоплазмы, исчезновение клеточных гра­ниц и распад клетки.

Продукты распада клеток попадают в межклеточные пространства и вызывают воспаление.

апоптоз   –   физиологическая   (запрограммированная) гибель клеток, которой заканчивается жизненный цикл. Противопоставляется некрозуАпоптоз   (от греч. apoptosis – листопад) – “смерть клетки в результате самоубийства (самоуничтожения)” –   активный, генетически контролируемый процесс клеточной гибели, регулируемый внутренней программой, которая запускается внешними факторами. Развитие апоптоза индуцируется особыми генами (киллерными генами). Апоптоз  происходит асинхронно в отдельных клетках, разде­ленных жизнеспособными клетками.

На ранних этапах (до 12 ч) происходит синтез ферментов, ко­торые необходимы для осуществления гибели клетки. На этой стадии часть клеток выживает благодаря “спасению” в ре­зультате активации особых “генов-спасителей”.

Сначала клетки округляются и отделяются от соседей. Ядро и цитоплазма уплотняются, но мембрана и органеллы сохраняют свою целостность.  Специальный фермент эндонуклеаза расщепляет ядерную ДНК на равные нуклеосомные сегменты и хроматин приобретает форму крупных полулуний.  Наконец клетка образует многочисленные вздутия и выпячивания («вскипает»).  Они отшнуровываются, формируя апоптозные тела.  Образование апоптозных  тел связано с преобразованиями цитоскелета.  Апоптозные тела быстро захватываются соседними клетками посредством фагоцитоза и перевариваются . Воспалительная реакция отсут­ствует.

Процесс апоптоза развивается сравнительно быстро и обычно длит­ся от нескольких минут до нескольких часов.