16. Взаимодействия мембранных структур клетки. Вакуоль. Гиалоплазма.

Ответ. Мембранные органеллы представлены двумя вариантами: одномембранные и двумембранные. Одномембранные органеллы вакуолярной системы – эндоплазматический ретикулум, аппарат Гольджи, лизосомы, пероксисомы и другие специализированные вакуоли, а также плазматическая мембрана. Двумембранным органеллы - митохондрии и пластиды, а также клеточное ядро Мембранные органеллы представляют собой замкнутые и изолированные участки (компартменты) в гиалоплазме, имеющие свою внутреннюю структуру. Стенка их состоит из билипидной мембраны и белков подобно плазмолемме. Однако билипидные мембраны органелл имеют особенности: толщина билипидных мембран органелл меньше, чем плазмолеммы (7 нм против 10 нм), мембранные отличаются по количеству и по содержанию белков, встроенных в них. Однако, несмотря на различия, мембраны органелл имеют одинаковый принцип строения, поэтому они обладают способностью взаимодействовать друг с другом, встраиваться, сливаться, разъединяться, отшнуровываться. Общий принцип строения мембран органелл можно объяснить тем, что все они образуются в эндоплазматической сети, а затем происходит их функциональная перестройка в комплексе Гольджи. Митохондрии — наиболее обособленные структурные элементы цитоплазмы клетки, обладающие в значительной степени самостоятельной жизнедеятельностью. Функция митохондрий — образование энергии в виде АТФ. Эндоплазматическая сеть (ЭПС) в разных клетках может быть представлена в форме уплощенных цистерн, канальцев или отдельных везикул. Стенка состоит из билипидной мембраны. На наружной поверхности мембран зернистой ЭПС содержатся прикрепленные рибосомы. В цитоплазме при электронно-микроскопическом исследовании можно обнаружить два вида ЭПС, однако один из них преобладает, что и определяет функциональную специфичность клетки. Эти две разновидности ЭПС не являются самостоятельными и обособленными формами, так как при более детальном исследовании можно обнаружить переход одной разновидности в другую. Пластинчатый комплекс называют транспортным аппаратом клетки. Пластинчатый комплекс Гольджи (сетчатый аппарат) представлен скоплением уплощенных цистерн и небольших везикул, ограниченных билипидной мембраной. Пластинчатый комплекс подразделяется на субъединицы — диктиосомы. В диктиосоме различают два полюса: цисполюс (направленный основанием к ядру) и трансполюс (направленный в сторону цитолеммы). Установлено, что к цисполюсу подходят транспортные вакуоли, несущие в комплекс Гольджи продукты, синтезированные в ЭПС. От трансполюса отшнуровываются пузырьки, несущие секрет к плазмолемме для его высвобождения из клетки. Часть мелких пузырьков, заполненных белками-ферментами, остается в цитоплазме и носит название лизосом. Лизосомы — наиболее мелкие органеллы цитоплазмы, представляют собой тельца, ограниченные билипидной мембраной и содержащие электронноплотный матрикс, состоящий из набора гидролитических белков-ферментов (более тридцати видов гидролаз), способных расщеплять любые полимерные соединения (белки, жиры, углеводы), их комплексы на мономерные фрагменты. Функция лизосом — обеспечение внутриклеточного пищеварения, т. е. расщепление как экзогенных, так и эндогенных биополимерных веществ. Пероксисомы — микротельца цитоплазмы (0,1—1,5 мкм), сходные по строению с лизосомами, однако отличаются от них тем, что в их матриксе содержатся кристаллоподобные структуры, а среди белков-ферментов содержится каталаза, разрушающая перекись водорода, образующуюся при окислении аминокислот. Кроме плотно расположенных плоских цистерн в зоне аппарата Гольджи наблюдается множество вакуолей. Мелкие вакуоли отшнуровываются от расширений на краях плоских цистерн. Цистерны аппарата Гольджи связаны с канальцами ЭПР. Ядро является важнейшим компонентом клетки, содержащим ее генетический аппарат. Вакуоли (от лат. vacuus – пустой) – полости в цитоплазме растительных клеток, ограниченные мембраной и заполненные жидкостью. Вакуоли содержатся в клетках как низших, так и высших растений. В последнем случае они достигают наибольшего развития. Вакуоли образуются в эндоплазматической сети и из пузырьков комплекса Гольджи. В молодых клетках вакуоли представлены системой мелких провакуолей. По мере роста и дифференцировки клетки провакуоли сливаются в одну или несколько крупных центральных вакуолей, занимающих основной объем клетки. В результате цитоплазма с ядром и органоидами оттесняется к периферии клетки. В зависимости от типа и возраста клеток вакуоли занимают от 5 до 95% объема клетки. Чаще всего это величина составляет свыше 50% объема клетки. От цитоплазмы центральные вакуоли отделены тонкой (около 10 нм) одинарной мембраной, которая называется тонопласт. Полость вакуоли заполнена клеточным соком. Клеточный сок представляет собой водный раствор, в котором находятся различные неорганические соли, сахара, органические кислоты и их соли, а также другие низкомолекулярные и высокомолекулярные соединения. В растительной клетке вакуоли выполняют многообразные функции: регуляция водно-солевого обмена, поддержание тургорного давления в клетке. Тургор – это напряженное состояние клеточной оболочки, создаваемое гидростатическим давлением внутриклеточной жидкости. В сочетании с жесткой клеточной стенкой тургорное давление придает растительным клеткам большую прочность. Это позволяет достигать им больших размеров по сравнению с клетками животных. Все процессы увядания, автолиза и старения сопровождаются снижением тургорного давления. Накопление различных веществ. Из органических веществ в вакуолях накапливаются углеводы и белки. Запасание белков особенно характерно для семян. Происходит оно в алейроновых вакуолях, которые после заполнения белками обезвоживаются и превращаются в твердые алейроновые зерна. При прорастании семян эти зерна обводняются и снова превращаются в вакуоли. Из неорганических веществ в вакуолярном соке накапливаются фосфаты калия, натрия, кальция, могут накапливаться соли органических кислот (оксалаты, цитраты и др.) Это придает вакуолярному соку кислую реакцию (рН от 2 до 5). В вакуолях могут накапливаться «красящие» вещества. Так антоцианы придают окраску лепесткам цветков, что способствует привлечению насекомых-опылителей. Возможно также накопление ядовитых веществ, которые предохраняют их от поедания травоядными животными. При повреждении клеток эти вещества высвобождаются из вакуолей и оказывают негативное действие на организм животного. Выведение экскреторных веществ. Вакуоли используются не только для накопления различных веществ, но и для экскреции их из клетки. Так выводятся из клетки все водорастворимые метаболиты. Нерастворимые в воде органические компоненты могут превращаться в растворимые глюкозиды, соединяясь с молекулами сахаров. Термин гиалоплазма (от hyaline - прозрачный), основная плазма, матрикс цитоплазмы или цитозоль обозначают очень важную часть клетки, ее истинную внутреннюю среду. Гиалоплазму достаточно просто получить в виде фракции. Для этого путем дифференциального центрифугирования осаждают из гомогенатов клеток все тяжелые компоненты вплоть до рибосом. Надосадочная жидкость в этом случае и представляет собой растворимый компонент цитоплазмы, цитозоль или гиалоплазму. Цитозоль - не просто разбавленный водный раствор; его состав весьма сложен, а консистенция приближается к гелю (желе). Гели - это структурированные коллоидные системы с жидкой дисперсной средой. Частицы дисперсной фазы соединены между собой в рыхлую пространственную сетку, которая содержит в своих ячейках дисперсную среду, лишая текучести систему в целом. Гель гиалоплазмы или цитозоль относится к т.н. тиксотропным гелям, которые под воздействием внешних условий (температура, давление) или внутренних факторов (факторов стабилизации или деполимеризации) могут менять свое агрегатное состояние и переходить в менее вязкую, более жидкую фазу – в золь (раствор). Такие гель-золь переходы очень характерны для гиалоплазмы. Так, например, при высоких гидростатических давлениях цитоплазма не уплотняется, а обратимо разжижается. Отдельные зоны гиалоплазмы могут менять свое агрегатное состояние в зависимости от условий или от функциональной задачи. Так, известно, что отдельные молекулы белковтубулинов могут быть диспергированы в гиалоплазме, но в определенные моменты они начинают собираться и строить длинные трубчатые структуры - микротрубочки. Этот процесс самосборки микротрубочек обратим: при изменении условий жизни клетки (повышение давления или изменение проницаемости мембран клетки) микротрубочки распадаются до мономерных молекул тубулинов. Таким же образом в бесструктурной на первый взгляд гиалоплазме могут возникать и распадаться различные фибриллярные, нитчатые комплексы белковых молекул. Подобные гель-золь переходы могут определяться также другими белками, например, актином, количество которого в некоторых немышечных клетках может достигать 10%. При взаимодействии фибриллярного актина с белками типа фибрина происходит стабилизация геля, а при связывании с белками, активность некоторых зависит от концентрации Ca++ (гельзолин), происходит фрагментация фибрилл и переход всей системы в жидкое состояние (золь). Таким путем может меняться состояние цитоплазмы в различных участках клетки, что обеспечивает движение всей клетки или отдельных ее внутриклеточных компонентов. Функциональное значение гиалоплазмы очень велико. Здесь локализованы ферменты, участвующие в синтезе аминокислот, нуклеотидов, жирных кислот, метаболизма сахаров. В гиалоплазме происходит синтез и отложение запасного полисахарида гликогена, накопление запасных жировых капель, состоящих из триацилглицероидов. Здесь же происходят процессы гликолиза и синтез части АТФ. В гиалоплазме на рибосомах и полирибосомах, несвязанных с мембранами, происходит синтез белков, необходимых клетке для поддержания ее жизнедеятельности, для построения ее органелл. Здесь же происходит активация аминокислот с помощью специфических ферментов и связывание их с трансферными РНК. В цитозоле также происходит модификация ферментов (например, фосфорилирование), приводящее к их активации или к инактивации, происходит деградация, расщепление белков, с помощью специфических протеиназ и др. В цитозоле на расположенных там рибосомах синтезируются белки, транспортируемые в различные участки клетки. Здесь же осуществляется синтез всех белков клеточного ядра, большая часть белков митохондрий и пластид, основные белки пероксисом. Эти группы белков имеют свои сигнальные аминокислотные последовательности, которые узнаются соответственно ядерными порами, или мембранами, что позволяет этим белкам транспортироваться через мембраны и попадать внутрь митохондрий, пластид, пероксисом. Синтез секреторных белков, белков лизосом, внеклеточного матрикса также начинается в гиалоплазме, но после контакта с мембранами гранулярного эндоплазматического ретикулума комплекс рибосомаинформационная РНК-пептид оказывается связанным с мембранами, а синтезирующийся белок ко-трансляционно переносится через мембрану и оказывается в полости мембранных вакуолей. Кроме структурных белков и ферментов в цитозоле в растворенном состоянии содержится огромное количество аминокислот, нуклеотидов и других строительных блоков биополимеров, а также множество метаболитов - промежуточных продуктов, возникающих при синтезе и распаде макромолекул. Гиалоплазма содержит большое количество ионов, неорганических соединений, таких как Na+, K+, Ca2+, Cl-, HCO3-, HPO42-и др. При этом концентрация этих ионов строго детерминирована и регулируется мембранными компонентами клетки. Формально, по морфологическим признакам, обязательные компоненты цитоплазмы, органеллы или органоиды, можно разделить на две группы: мембранные и немембранные. К немембранным органеллам принадлежат рибосомы, клеточный центр животных клеток, постоянно присутствующие в клетках. Что же касается элементов клеточного скелета, цитоскелета, постоянной компоненты клетки, его выраженность может значительно меняться в течение клеточного цикла, от полного исчезновения одного компонента (например, цитоплазматические микротрубочки во время митоза), до появления новых структур (веретено митоза).