Пероксисомы
Пероксисомы (микротельца) по своему строению сходны с лизосомами. Они представляют собой мембранные сферические или удлиненные пузырьки диаметром 0.05-1.5 мкм с умеренно плотным однородньм или мелкозернистым содержимым (матриксом), в котором иногда выявляется более плотная сердцевина (нуклеоид), имеющая кристаллическое строение и состоящая из фибрилл и трубочек. Мелкие пероксисомы (микропероксисомы) диаметром 0.05-0.25 мкм встречаются во всех клетках, крупные (макропероксисомы) диаметром 0.3-1.5 мкм – в гепатоцитах, макрофагах, клетках проксимальных почечных канальцев. Число пероксисом варьирует в клетках разных типов; в гепатоцитах оно составляет в среднем 500, а занимаемый ими относительный объем -около 2% объема клетки. Пероксисомы обновляются каждые 5-6 дней.
Матрикс пероксисом содержит до 15 ферментов, состав которых может варьировать. Наиболее важные из них – пероксидаза, каталаза (на которую приходится до 40% общего белка органеллы), оксидаза D-аминокислот и уратоксидаза. Нуклеоид пероксисомы соответствует области конденсации ферментов.
Образование пероксисом происходит в ЭПС, путем отпочковывания от элементов аЭПС; их ферменты синтезируются частично в грЭПС, частично – в гиалоплазме. По некоторьм представлениям, пероксисомы образуются вследствие расщепления ранее существующих, растущих благодаря постоянному поступлению ферментов. Мембрана пероксисомы высокопроницаема для ионов и низкомолекулярных субстратов.
Функции пероксисом. Пероксисомы (наряду с митохондриями) – главный центр утилизации кислорода в клетке. В результате окисления аминокислот, углеводов и других соединений в клетках образуется сильный окислитель – перекись водорода (Н2О2), которая далее благодаря действию каталазы пероксисом распадается с выделением кислорода и воды. Пероксисомы защищают клетку от действия перекиси водорода, оказывающей сильный повреждающий эффект.
Крупные пероксисомы печени и почек играют важную роль в обезвреживании ряда веществ. Например, в них окисляется около 50% поглощенного этилового спирта. Помимо реакций детоксикации, ферменты пероксисом катализируют расщепление жирных кислот, участвуют в ряде катаболических и анаболических реакций, в частности, в обмене аминокислот, оксалата и полиаминов. Некоторые из этих реакций протекают исключительно в пероксисомах, отчего их повреждение может привести к серьезным обменным нарушениям.
В настоящее время открыт новый класс наследственных заболеваний человека, насчитывающий не менее 12 нозологических единиц – пероксисомные болезни, развитие которых обусловлено дефектом активности пероксисом. При этих болезнях поражаются различные органы, часто развиваются тяжелые нарушения нервной системы, вызывающие смерть больных в детском возрасте.
Энергетический аппарат клетки: митохондрии
Митохондрии представляют собой мембратые полуавтономные органеллы, обеспечивающие клетку энергией, получаемой благодаря процессам окисления и запасаемой в виде фосфатных связей АТФ. Митохондрии также участвуют в биосинтезе стероидов, окислении жирных кислот и синтезе нуклеиновых кислот.
Митохондрии могут иметь эллиптическую, сферическую, палочковидную, нитевидную и др. формы, которые могут изменяться в течение определенного времени. Их размеры составляют 0.2-2 мкм в ширину и 2-10 мкм в длину, а количество в различных клетках варьирует в широких пределах, достигая в наиболее активных 500-1000. В клетках печени (гепатоцитах) их число составляет около 800, а занимаемый объем равен примерно 20% объема цитоплазмы. На светооптическом уровне митохондрии выявляются в цитоплазме специальными методами и имеют вид мелких зерен и нитей (что обусловило их назваше – греч. mitos – нить и chondros – зерно).
В цитоплазме митохондрии могуг располагаться диффузно, однако обычно они сосредоточены в участках максимального потребления энергии, например, вблизи ионных насосов, сократимых элементов (миофибрилл), органелл движения (аксонем спермия, ресничек), компонентов синтетического аппарата (цистерн ЭПС).
Митохондрии состоят из наружной и внутрнней мембран, разделенных межмембранным пространством, и содержат митохондриальный матрикс, в который обращены складки внутренней мембраны – кристы (рис. 3-12).
Рис. 3-12. Митохондрия. НММ - наружная митохоидриальная мембрана, ВММ – внутренняя митохондриальная мембрана, К – кристы, ММ – митохондриальный матрикс, МГ – митохондриальные гранулы, МК – мембрана кристы, ЭЧ – элементарные частицы, Г – головка, Н – ножка.
(1) наружная митохондриальная мембрана напоминает плазмолемму и обладает высокой проницаемостью для молекул массой до 10 килодальтон, проникающих из цитозоля в мемжмембранное пространство. Она содержит много молекул специализированных транспортных белков (например, порин), которые формируют широкие гадрофилыше каналы и обеспечивают ее высокую проницаемостъ, а также небольшое количестао ферментных систем. На ней находятся рецепторы, распознающие белки, которые переносятся через обе митохондриальные мембраны в особых точках их контакта – зонах слипания.
(2) внутренняя митохондриалышя мембрана отделена от наружной межмембранным пространством шириной 10-20 нм, которое содержит небольшое количество ферментов. В ее состав входят белки трех типов: (а) транспортные белки, (б) ферменты дыхательной цепи и сукцинатдегидрогенаназа (СДГ), в) комплекс АТФ-синтетазы. Низкая проницаемость внутрешей мембраны для мелких ионов из-за высокого содержания фосфолипида кардиолипина имеет большое значеше для функции митохондрий, так как она обеспечивает возможность создания электрохимических градиентов при продукции высокоэнергетических метаболитов клетки.
Кристы - складки внутренней мембраны толщиной 20 нм; располагаются чаще всего перпендикулярно длиннику митохондрии, но могут и продольно. Их число и ялощадь пропорциональны активности митохондрии. На кристах находятся элементарные (грибовидные) частицы, называемые также оксисомами или F1-частицами, в количестве 104-105, состоящие из головки диаметром 9 нм и ножки толщиной 3 нм (см. рис 3-12). На нх происходит сопряжение процессов окисления и фосфорилирования. В области округлой головки частицы осуществляется синтез АТФ из АДФ. Разобщение метаболических процессов окисления и фосфорилирования приводит к образованию значительного количества тепла вместо накопления энергии в форме макроэргаческих соединений. Такое разобщение характерно, например, для митохондрий клеток бурой жировой ткани, специализированной на продукии тепла (термогенезе). Оно обусловлено присутствием в них особого белка UCP (сокр. от англ. Uncoupling protein – разобщающий белок), или могенина, варианты которого в последние годы обнаружены в митохондриях клеток различных тканей. Высказано предположение, что склоность к развитию некоторых метаболических заболеваний, например ожирения, может определяться нарушениями выработки или функции этих белков.
Форма крист - в митохондриях большинства клеток - пластинчатая (ламеллярная); в некоторых клетках встречаются кристы в виде трубочек и пузырьков – тубулярно-везикулярные кристы (рис. 3-13) Последний вариант характерен для клеток, синтезирующих стероидные гормоны (клетки коркового вещества надпочечников, фолликулярные и клетки желтого тела яичника, клетки Лейдига яичка). В таких клетках ферменты стероидогенеза локализуются частично в аЭПС, а частнчно – на внутренней митохондриальной мембране. В ходе синтеза стероидов промежуточные продукты неоднократно перемещаются ежду этими органеллами.
Рис. 3-13. Участок цитоплазмы, содержащий митохондрии различных типов МТХ-Л – митохондрия с ламеллярными кристами, МТХ-ТВ – митохондрии с тубулярно-везикулярными кристами, Л - лизосома, ГГ - гранулы гликогена.
(3) митохондриальный матрикс – гомогенное мелкозернистое вещество умеренной плотности, заполняющее полость (внутреннюю камеру) митохондрии и содержащее несколько сотен ферментов: растворимые ферменты цикла Кребса (за исключением СДГ), ферменты, участвуюпше в окислении жирных кислот, ферменты белкового синтеза. В матриксе находятся также митохондриалъные рибосомы, митохондриалъные гранулы и митохондриалъная ДНК (что отличает митохондрии от всех остальных органелл).
Митохондриальные рибосомы имеют вид мелких плотных гранул, распределенных в матриксе. Белки, образующие эти рибосомы, лишь частично продуцируются в самой митохоадрии.
Митохондриальные гранулы - частицы высокой электронной плотности диаметром 20-50 нм с мелкозернистой или пластинчатой структурой, разбросанные по митохондриальному матриксу, содержащие ионы Са2+ и Мg2+, а также другие дивалентные катионы. Функция гранул выяснена неполностью; предполагается, что их катионы необходимы для поддержания активности митохондриальных ферментов.
Митохондриальная ДНК (мтхДНК) – образует собственный геном митохондрий, на который приходится около 1% общего содержания ДНК в клетке и который включает 37 генов (в ядре клеток человека насчитывают примерно 100 тыс. генов). МтхДНК - кольцевой формы Двунитчатая молекула ДНК длиной 5.5 мкм и толщиной 2 нм (в каждой митохондрии имеется 2-10 таких молекул). Она сходна с бактериалъной и отличается от ядерной ДНК генетическим кодом, низким содержанием некодирующих последовательностей и отсутствием связи с гистонами.
Генетическая информация мтхДНК обеспечивает синтез лшпь 5-6% митохондриальных белков, в частности, большей части ферментов электронтранспортаой системы и некоторых ферментов синтеза АТФ. Синтез других белков и репликация митохондрий контролируются ядерной ДНК. МтхДНК кодирует иРНК, тРНК и рРНК, формируя, таким образом, частачно независимую от ядра систему репликации, транскрипции трансляциии. Вместе с тем, синтез мтхДНК и РНК зависит от -нтов, которые являготся продуктами ядерных генов. Большая часть рибосомальных белков митохондрий синтезируется в цитоплазме, Затем транспортируется в митоховдрии. Область митохондрии, содержащая мтхДНК, иногда выявляется в матриксе как тонкофибриллярная зона низкой плотности (нуклеоид).
Наследование мтхДНК у многах видов, включая человека, происходит только от матери (мтхДНК отца исчезает при образовании эмбриона).
Повреждение мтхДНК и митохондриальные болезни. МтхДНК часто испытывает повреждения, что объясняется ее расположением непосредственно в митохондриальном матриксе, где она постоянно подвергается окислительному стрессу высокой интенсивности из-за образования в нем значителыюго количества биоокислителей (перекиси водорода и реактивных радикалов кислорода). Вследствие этого частота мутаций мтхДНК в 10 раз выше, чем ядерной, что усугубляется отсутствием защитных белков, контроля репликации и неэффективной репарацией. Мутации мтхДНК вызывают ряд заболеваний (так называемых "митохондриалъных болезней") с широким спектром клинических проявлений (слепота, глухота, нарушения движения, сердечная недостаточ-ность, диабет, патология печени и почек и др.). Симптомы большинства митохондриальных болезней проявляются с возрастом, что, вероятно, обусловлено накоплением мутаций, связанных с "окислителными ударами" по мтхДНК. Так как биоокислители генерируются в максимальных количествах при окислительном фосфорилировании, чаще поражаются органы, наиболее нуждающиеся в энергии, продуцируемой митохондриями (ЦНС, сердце, скелетные мыпщы, почки, печень, островки Лангерганса). Диагаоз некоторых митохондриальных болезней может бьпъ поставлен при изучении биоптата мышечной ткани, в котором выявляются аномальные митохондрии.
Жизненный цикл митохондрий сравнительно короткий (около 10 сут); их разрушешение происходит путем аутофагии, а гибнущие органеллы замещаются новыми, которые формируются путем перешнуровки предсуществующих. Репликация мтхДНК происходит в любые фазы клеточного цикла независимо от репликации ядерной ДНК.