19. Внутренние мембраны клетки, несмотря на различия в морфологическом и функциональном отношениях, представляют собой единое целое, поскольку способны переходить друг в друга в процессе функционирования клетки как будет показано ниже. К вакуолярной системе относятся МЕМБРАНЫ ЭНДОПЛАЗМАТИЧЕСКОГО РЕТИКУЛУМА, АППАРАТА ГОЛЬДЖИ, МИКРОТЕЛЬЦА, ЛИЗОСОМЫ и ВАКУОЛИ РАСТИТЕЛЬНОЙ КЛЕТКИ. Мембраны эндоплазматического ретикулума являются крайне сложным и разветвленным продолжением внешней мембраны двухмембранной ядерной оболочки (рис. 74). Мембраны эндоплазматического ретикулума (ЭПР) в типичном случае составляют более половины от общей площади клеточных мембран (таблица 8). Хотя мембрана ЭПР имеет многочисленные складки и изгибы, она образует одну непрерывную поверхность, ограничивающую единый замкнутый мешок, внутреннее пространство которого занимает более 10% общего объема клетки (таблица 7). На электронных микрофотографиях легко различаются две функционально различающиеся области ЭПР: гранулярный (шероховатый) ЭПР, усеянный рибосомами, расположенными на обращенной к цитоплазме поверхности мембраны, и гладкий (агранулярный) ЭПР (рис. 32). Рибосомы удерживаются на мембранах гранулярного ЭПР благодаря двум трансмембранным гликопротеинам, называемым рибофоринами, которые специфически связывают большую субъединицу рибосом и которые отсутствуют в гладком ЭПР. Количество связанных на мембранах рибосом и, следовательно, соотношение гладкого и гранулярного ЭПР может существенно варьировать в клетках (таблица 8). Аппарат Гольджи состоит из многочисленных групп плоских мембранных мешков (цистерн), собранных в структуры, напоминающие стопки тарелок и называемые диктиосомами (рис. 75). Одна диктиосома в среднем содержит 5 - 10 цистерн, хотя у низших эукариот их число может быть больше 30. Число диктиосом на клетку сильно варьирует в зависимости от типа клетки - от одной до нескольких сотен. В некоторых специализированных клетках аппарат Гольджи может даже занимать значительную часть объема, хотя в типичном случае его доля невелика (таблицы 7 и 8). Каждая отдельная цистерна диктиосомы имеет переменную толщину: в центре ее мембраны сближены так, что остается просвет в 25 нм, а на периферии имеет расширения (ампулы), ширина которых непостоянна. От ампул отшнуровываются многочисленные мелкие (диаметром около 50 нм) и крупные (диаметром около 1 мкм) пузырьки (рис. 75). Эти две клетки сильно различаются по величине: гепатоцит имеет объем около 5000 мкм3, а секреторная клетка поджелудочной железы - 1000 мкм3; соответственно общин площади их клеточных мембран оцениваются как 110 тыс. и 13 тыс. мкм2. лизосом колеблется от 0.2 до 0.4 мкм, а микротелец - от 0.3 до 1.5 мкм. Число на клетку и тех, и других составляет по нескольку десятков. Содержимое лизосом и микротелец весьма разнородно - от гомогенного бесструктурного содержимого до плотного гранулярного материала. Лизосомы и микротельца различают обычно не по морфологическим, а по их биохимическим свойствам. Растительные клетки, в отличие от животных клеток, содержат еще одну или несколько вакуолей, содержимое которых, называемое клеточным соком, отделено от цитозоля одиночной мембраной - тонопластом. Как правило, вакуоли занимают больше 50% всего объема клетки, однако эта величина непостоянна: в зависимости от стадии развития и типа клетки она может составлять от 5 до 95%. Вакуоли в растительной клетке выполняют разнообразные функции, из которых наиболее важними являются поддержание тургорного давления в клетке, запасающая и утилизирующая функции. Запасающая и утилизирующая функции означают, что в вакуолях когут накапливаться как запасные вещества (моно- и полисахариды, белки), так и отходы клеточного метаболизма (например, полифенолы), которые таким образом изолируются. В то же время концентрирование веществ внутри вакуоли и полупроницаемые свойства тонопласта способствуют тому, что вакуоль функционирует в качестве осмометра, и придает растительной клетке необходимую прочность и тургисцентность (осмотическую напряженность). Ряд веществ, накапливающихся в вакуолях, имеет специальные функции. Например, в вакуолях могут накапливаться пигменты, придающие яркий цвет растению. Окраска лепестков фиалки, герани или примулы вызывается пигментами антоцианами, накопившимися в клеточном соке вакуолей их клеток. Другие вещества вакуолей выполняют защитные функции. Некоторые растения синтезируют ядовитые или горькие вещества (алкалоиды) и накапливают их в вакуолях. Алкалоиды высвобождаются из ва- куолей при повреждении клеток, и таким образом растение может защищаться от поедания животными. ЭПР, аппарат Гольджи, вакуоли, лизосомы и микротельца представляют собой единую вакуолярную систему, поскольку их мембраны, как будет рассказано в следующем разделе, постоянно переходят друг в друга в процессе функционирования этой системы, а компоненты мембран непрерывно совершают круговорот в клетке.
20. Рибосома — важнейший органоид живой клетки сферической или слегка эллипсоидной формы, диаметром 100—200 ангстрем, состоящий из большой и малой субъединиц. Рибосомы служат для биосинтеза белка из аминокислот по заданной матрице на основе генетической информации, предоставляемой матричной РНК, или мРНК. Этот процесс называется трансляцией. В эукариотических клетках рибосомы располагаются на мембранах эндоплазматического ретикулума, хотя могут быть локализованы и в неприкрепленной форме в цитоплазме. Нередко с одной молекулой мРНК ассоциировано несколько рибосом, такая структура называется полирибосомой. Синтез рибосом у эукариот происходит в специальной внутриядерной структуре — ядрышке. Схема синтеза рибосом в клетках эукариот. 1. Синтез мРНК рибосомных белков РНК полимеразой II. 2. Экспорт мРНК из ядра. 3. Узнавание мРНК рибосомой и 4. синтез рибосомных белков. 5. Синтез предшественника рРНК (45S — предшественник) РНК полимеразой I. 6. Синтез 5S pРНК РНК полимеразой III. 7. Сборка большой рибонуклеопротеидной частицы, включающей 45S-предшественник, импортированные из цитоплазмы рибосомные белки, а также специальные ядрышковые белки и РНК, принимающие участие в созревании рибосомных субчастиц. 8. Присоединение 5S рРНК, нарезание предшественника и отделение малой рибосомной субчастицы. 9. Дозревание большой субчастицы, высвобождение ядрышковых белков и РНК. 10. Выход рибосомных субчастиц из ядра. 11. Вовлечение их в трансляцию. Рибосомы представляют собой нуклеопротеид, в составе которого отношение РНК/белок составляет 1:1 у высших животных и 60-65:35-40 у бактерий. Рибосомная РНК составляет около 70 % всей РНК клетки. Рибосомы эукариот включают четыре молекулы рРНК, из них 18S, 5.8S и 28S рРНК синтезируются в ядрышке РНК полимеразой I в виде единого предшественника (45S), который затем подвергается модификациям и нарезанию. 5S рРНК синтезируется РНК полимеразой III в другой части генома и не нуждаются в дополнительных модификациях. Почти вся рРНК находится в виде магниевой соли, что необходимо для поддержания структуры; при удалении ионов магния рибосома подвергается диссоциации на субъединицы. Константа седиментации (скорость оседания в ультрацентрифуге) рибосом эукариотических клеток равняется 80S (большая и малая субъединицы 60S и 40S, соответственно), бактериальных клеток (а так же митохондрий и пластид) — 70S (большая и малая субъединицы 50S и 30S, соответственно).
21. Наружная мембрана
Наружная мембрана митохондрии имеет толщину около 7 нм, не образует впячиваний и складок, и замкнута сама на себя. На наружную мембрану приходится около 7 % от площади поверхности всех мембран клеточных органелл. Основная функция — отграничение митохондрии от цитоплазмы. Наружная мембрана митохондрии состоит из билипидного слоя и пронизывающих его белков; соотношение липидов и белков по массе — примерно 1:1. Особую роль играет порин — каналообразующий белок: он формирует в наружной мембране отверстия диаметром 2-3 нм, через которые могут проникать небольшие молекулы и ионы весом до 5 кДа. Крупные молекулы могут пересекать наружную мембрану только посредством активного транспорта через транспортные белки митохондриальных мембран. Для наружной мембраны характерно присутствие ферментов: монооксигеназы, ацил-СоА-синтетазы и фосфолипазы А2. Наружная мембрана митохондрии может взаимодействовать с мембраной эндоплазматического ретикулума; это играет важную роль в транспортировке липидов и ионов кальция.
Межмембранное пространство
Межмембранное пространство представляет собой пространство между наружной и внутренней мембранами митохондрии. Его толщина — 10-20 нм. Так как наружная мембрана митохондрии проницаема для небольших молекул и ионов, их концентрацияв периплазматическом пространстве мало отличается от таковой в цитоплазме. Напротив, крупным белкам для транспорта из цитоплазмы в периплазматическое пространство необходимо иметь специфические сигнальные пептиды; поэтому белковые компоненты периплазматического пространства и цитоплазмы различны. Одним из белков, содержащихся в периплазматическом пространстве, является цитохром c — один из компонентов дыхательной цепи митохондрий.
Внутренняя мембрана
Внутренняя мембрана образует многочисленные гребневидные складки — кристы, существенно увеличивающие площадь ее поверхности и, например, в клетках печени составляет около трети всех клеточных мембран. Характерной чертой состава внутренней мембраны митохондрий является присутствие в ней кардиолипина — особого фосфолипида, содержащего сразу четыре жирные кислоты и делающего мембрану абсолютно непроницаемой для протонов. Ещё одна особенность внутренней мембраны митохондрий — очень высокое содержание белков (до 70 % по весу), представленных транспортными белками,ферментами дыхательной цепи, а также крупными АТФ-синтетазными комплексами. Внутренняя мембрана митохондрии в отличие от внешней не имеет специальных отверстий для транспорта мелких молекул и ионов; на ней, на стороне, обращенной к матриксу, располагаются особые молекулы АТФ-синтазы, состоящие из головки, ножки и основания. При прохождении через них протонов происходит синтез АТФ. В основании частиц, заполняя собой всю толщу мембраны, располагаются компонентыдыхательной цепи. Наружная и внутренняя мембраны в некоторых местах соприкасаются, там находится специальный белок-рецептор, способствующий транспорту митохондриальных белков, закодированных в ядре, в матрикс митохондрии.
Матрикс
Матрикс — ограниченное внутренней мембраной пространство. В матриксе (розовом веществе) митохондрии находятся ферментные системы окисления пирувата жирных кислот, а также ферменты цикла трикарбоновых кислот (цикла Кребса). Кроме того, здесь же находится митохондриальная ДНК, РНК и собственный белоксинтезирующий аппарат митохондрии.