 |
|
Функции митохондрий
МИТОХОНДРИИ
Митохондрии – преобразователи энергии и её поставщики для обеспечения клеточных функций – занимают значительную часть цитоплазмы клеток и сосредоточены в местах высокого потребления АТФ (например, в эпителии канальцев почки они располагаются вблизи плазматической мембраны (обеспечение реабсорбции), а в нейронах – в синапсах (обеспечение электрогенеза и секреции). Количество митохондрий в клетке измеряется сотнями. Митохондрии имеют собственный геном. Органелла функционирует в среднем 10 суток, обновление митохондрий происходит путем их деления.
Морфология митохондрии
Митохондрии чаще имеют форму цилиндра диаметром 0,2-1 мкм и длиной до 7 мкм (в среднем около 2 мкм). У митохондрий две мембраны – наружная и внутренняя; последняя образует кристы. Между наружной и внутренней мембранами находится межмембранное пространство. Внемембранный объем митохондрии – матрикс.
∙ Наружная мембранапроницаема для многих мелких молекул.
∙ Межмембранное пространство.Здесь накапливаются ионы Н+, выкачиваемые из матрикса, что создает протонный градиент концентрации по обе стороны внутренней мембраны.
∙ Внутренняя мембранаизбирательно проницаема; содержит транспортные системы для переноса веществ (АТФ, АДФ, Р1, пирувата, сукцината, α-кетоглурата, малата, цитрата, цитидинтрифосфата, ГТФ, дифосфатов) в обоих направлениях и комплексы цепи переноса электронов, связанные с ферментами окислительного фосфорилирования, а также с сукцинатдегидрогеназой (СДГ).
∙Матрикс.В матриксе присутствуют все ферменты цикла Кребса (кроме СДГ), ферменты β-окисления жирных кислот и некоторые ферменты других систем. В матриксе находятся гранулы с Mg2+ и Ca2+.
∙ Цитохимические маркёры митохондрий– цитохромоксидаза и СДГ.
Функции митохондрий
Митохондрии выполняют в клетке множество функций: окисление в цикле Кребса, транспорт электронов, хемиосмотическое сопряжение, фосфорилирование АДФ, сопряжение окисления и фосфорилирования, функцию контроля внутриклеточной концентрации кальция, синтез белков, образование тепла. Велика роль митохондрий в программированной (регулируемой) гибели клеток.
∙ Теплорепродукция.Естественный механизм разобщения окислительного фосфорилирования функционирует в клетках бурого жира. В этих клетках митохондрии имеют атипичную структуру (уменьшен их объем, увеличена плотность матрикса, расширены межмембранные пространства) – конденсированные митохондрии. Такие митохондрии могут усиленно захватывать воду и набухать в ответ на тироксин, увеличение концентрации Ca2+ в цитозоле, при этом усиливается разобщение окислительного фосфорилирования, и происходит выделение тепла. Эти процессы обеспечивает специальный разобщающий белок термогенин. Норадреналин из симпатического отдела вегетативной нервной системы усиливает экспрессию разобщающего белка и стимулирует теплопродукцию.
∙ Апоптоз.Митохондрии играют важную роль в регулируемой (программированной) гибели клеток – апоптозе, выделяя их в цитозоль факторы, повышающие вероятность гибели клетки. Одним из них является цитохром С – белок, переносящий электроны между белковыми комплексами во внутренней мембране митохондрий. Выделяясь из митохондрий, цитохром С включается в состав апоптосомы, активирующей каспазы (представители семейства киллерных протеаз).
КОМПЛЕКС ГОЛЬДЖИ
Комплекс Гольджи расположен около ядра и образован стопкой из 3-10 уплощенных и слегка изогнутых цистерн с расширенными концами. Эта органелла процессирует белки, синтезированные в гранулярной эндоплазматической сети. Выходящие из цистерн комплекса Гольджи белки находятся внутри транспортных пузырьков. Продукты комплекса Гольджи разделяются на три потока, которые направляются в плазматическую мембрану (интегральные мембранные белки), лизосомы или выделяются из клетки (например, пищеварительные ферменты).
Цистерны комплекса Гольджи образуют три основных компартмента: цис-компартмент, транс-компартмент и промежуточный компартмен. С комплексом Гольджи тесно связан и всегда рассматривается вместе еще один компартмен – транс-сеть Гольджи.
∙ Цис-компартмент(формирующийся) включает цистерны, обращенные к расширенным элементам гранулярной эндоплазматической сети, а также небольшие транспортные пузырьки.
∙ Транс - компартмент(зрелый) образован цистернами, обращенными к вакуолям и секреторным гранулам. На небольшом расстоянии от краевой цистерны транс-компартмента лежит транс-сеть.
∙ Промежуточный компартмент -небольшое количество цистерн между цис- и транс-компартментами.
∙ Транс-сеть Гольджилежит на небольшом расстоянии от краевой цистерны транс-компартмента и участвует в образовании лизосом и сортировке белков для различных транспортных пузырьков.
Компартменты и направление транспорта.Белки, синтезированные в гранулярной эндоплазматической сети, поступают в специальный компартмент, который располагается между эндоплазматической сетью и комплексом Гольджи. Этот компартмент представлен т.н. везикулярно-трубчатыми кластерами. Здесь происходит умеренное накопление белков и определяется направление их дальнейшего транспорта. Из этого компартмента материал для дальнейшей модификации проходит по следующей цепочке: цис-компартмент → промежуточный компартмент → промежуточный компартмент → транс-компартмент → транс-сеть Гольджи. Это направление транспорта продукта обозначается как антероградное. Перемещение продукта по данной цепочке в обратном направлении называют ретроградным транспортом. Некоторые белки после модификации в комплексе Гольджи транспортируются ретроградно в гранулярную эндоплазматическую сеть для выполнения там своих функций.
Функции комплекса Гольджи.В комплексе Гольджи происходят процессы модификации белка (например, гликолизирование, т.е. присоединение к молекуле белка молекул сахаров), концентрирования, сортировки и упаковки секреторных продуктов (образование секреторных гранул).
ПРОТЕОСОМЫ
Содержание белков в клетке определяется не только скоростью их синтеза, но также и скоростью их деградации. Время полураспада клеточных белков варьирует от нескольких минут до нескольких дней. Существуют и дефектно синтезированные или поврежденные белки, подлежащие идентификации и быстрому удалению. Деградация белков (цитозольный протеолиз) происходит по двум основным механизмам –убиквитин-протеосомный путь и опосредованная лизосомным протеолизом деградация.
∙ Убиквитин.Этот полипептид присутствует во всех клетках всех организмов, кроме бактерий, что и определило его название (лат.ubique – везде). Клетки используют убиктивин в качестве маркера нежелательных белков, которые после взаимодействия с убиктивином легко распознаются и быстро расщепляются в специальных органеллах – протеосомах.
∙ Протеосома- комплекс нелизосомных мультикаталитических протеиназ. Протеосомы осуществляют значительную часть цитозольного протеолиза, поэтому протеосомы регулируют множество важных внутриклеточных процессов: контроль клеточного цикла, выживаемость клеток, опухолевый рост, ангиогенез, экспрессия молекул адгезии, продукция цитокинов, удаление поврежденных, окисленных и мутантных белков.
ЛИЗОСОМЫ
Лизосомы – окруженные мембраной округлые пузырьки, содержащие кислые гидролазы. В широком смысле функция лизосом заключается в утилизации «внутриклеточного мусора». Лизосомы образуются путем слияния так называемых поздних эндосом, содержащих лизосомные гидролазы, с везикулами, подлежащими деградации (например, фагосомой).
Поздние эндосомы(или перинуклеарные эндосомы) образуются при слиянии содержащих лизосомные гидролазы везикул и везикул, в мембрану которых встроены специфические лизосомные белки.
Различают следующие типы лизосом:мультивезикулярные тельца, фаголизосомы, аутофаголизосомы, остаточные тельца.
∙ Мультивезикулярные тельцаобразуются при слиянии перинуклеарной и периферической эндосом.
∙ Фаголизосомаобразуется при слиянии перинуклеарной эндосомы и фагосомы, содержащей экзогенный материал.
∙ Аутофаголизосомаобразуется при слиянии перинуклеарной эхндосомы и аутофагоцитарной вакуоли, содержащей подлежащие деградации эндогенные молекулы и органеллы.
∙ Остаточные тельца- лизосомы любого типа, содержащие непереваренный материал (липофусцин, гемосидерин).
Известно более 50 лизосомных ферментов: рибонуклеазы, дезоксирибонуклеазы, катепсины В и L (протеазы), сульфатазы, β-глюкуронидазы, β- галактозидазы, гликозидазы, липазы, эстеразы, фосфатазы и другие. Лизосомные ферменты наиболее активны в кислой среде (рН 5,0), для поддержания которой в мембрану лизосомы встроен протонный насос (Н+, К+, - АТФаза). Кислая фосфатазаслужит надежным маркером и лизосом.
Лизосомы участвуют во внутриклеточном пищеварении. Лизосомы «работают» внутриклеточно, но некоторые клетки (например, нейтрофилы, остеокласты) для выполнения своих функций секретируют лизосомы во внутриклеточное пространство.
Родственные лизосомам органеллы.Некоторые свойства лизосом обнаруживаются в специфических органеллах, характерных для определенного типа клеток. К таким органеллам относят, например, меланосомы пигментных клеток, азурофильные гранулы нейтрофилов, плотные тельца тромбоцитов (δ - гранулы).
ПЕРОКСИСОМЫ
Пероксисомы – мембранные пузырьки размером 0,1-1,5 мкм в электронно-плотной сердцевиной. Они особенно многочисленны в клетках печени и почки; количество пероксисом в одной клетке может составлять до нескольких сотен. В мембране органеллы находятся специфичные для периксисом белки – пероксины, а в матриксе – матриксные белки, в т.ч. более 40 ферментов (например, каталаза и пероксидаза), катализирующие анаболитические (биосинтез жёлчных кислот) и катаболические (β-окисление длинных цепей жирных кислот, Н2О2 – зависимое дыхание, деградация ксенобиотиков) процессы. Все компоненты пероксисом поступают из цитозоля. Продолжительность жизни периксисом – 5-6 суток. Новые органеллы возникают из предсуществующих путем их простого деления.
ВКЛЮЧЕНИЯ
Клеточные включения образованы материалом, который постоянно присутствуют в клетке. Это могут быть пигменты, запасы питательных веществ и энергии (жиры и гликоген), продукты расщепления компонентов клетки. К разнородной по морфологии и генезу группе включений относят находящиеся в цитозоле единичные или группы гранул и капель: гликогена, липидов, пигментов, липофусцина.
∙ Пигментные включения.Одним из наиболее распространенных пигментов является меланин.Его особенно много в клетках –продуцентах - меланоцитах. Он присутствует также в клетках эпителия, соединительной ткани и даже в нейронах. Липофусцин образуется в результате деградации компонентов клетки, это продукт лизосомного переваривания, не подвергающийся дальнейшему расщеплению, а именно мембранные пузырьки различных размеров с электронно-плотным содержимым. Внутриклеточные включения липофусцина имеют желто-коричневый цвет. Пигмент называют также пигментом изнашивания, или старения. Его легко найти в нервной системе, в тканях с высокой активностью макрофагов, в неделящихся клетках (нейроны, кардиомиоциты) и мышечных волокнах. Особенно много липофусцина в волокнах скелетной мышцы, где он располагается преимущественно под сарколеммой и около ядра. Количество пигмента с возрастом нарастает. Накопление липофусцина в жировых клетках придает жиру желтый цвет.
∙Запасы питательных веществ и энергии.Подобные включения образованы гликогеном и липидами. Включения из гликогена чаще встречаются в печени и скелетной мышце. Гранулы гликогена размером 20-30 нм не связаны с мембраной, но часто расположены вблизи гладкой эндоплазматической сети. В отличие от других включений (например, липофусцина), гликоген может быть равномерно распределен по всему объему цитоплазмы. Липидные (жировые) включениярассматриваются как источник энергии в клетке. Капли различных размеров и плотности, не связанные с мембранами; содержат триглицериды и холестерин. Выраженность липидных включений может быть преходящей. Длительность их пребывания в клетке варьирует от минут и часов (энтероциты кишки) до недель и месяцев (адипоциты).