98277

Комплекс Гольджи

Реферат

Биология и генетика

Аппарат Гольджи содержится в цитоплазме почти всех эукариотических клеток, особенно в секреторных клетках животных. У дрожжей комплекс Гольджи выражен несколько хуже, обычно в виде особого отдела эндоплазматического ретикулума. Комплекс Гольджи представляет собой стопку уплощенных мембранных мешочков, так называемых цистерн, и связанную с ними систему пузырьков, называемых пузырьками Гольджи.

Русский

2015-10-30

147.5 KB

0 чел.

Министерство образования Республики Беларусь

УО «МГЭУ им. А. Д. Сахарова»

Реферат на тему:

Комплекс Гольджи

Подготовил:

Студент 4 курса,

Группы 92061/1

Зелёный Юрий Михайлович

Минск 2012


Оглавление

[1] Оглавление

[2] Введение

[2.1] Глава 1. Аппарат Гольджи: структура и функции

[2.1.1] 1.1. Аппарат Гольджи: структура

[2.1.1.1] Морфология

[2.1.1.2] Ультраструктура

[2.1.2] 1.2. Аппарат Гольджи: функции

[2.1.2.1] Секреторная функция

[2.1.2.2] Вторичное гликозилирование

[2.1.2.3] Метаболическая функция

[2.1.2.4] Внутриклеточный сортинг и адресация

[2.1.2.5] Интегративная функция

[2.1.2.6] Морфогенетическая

[3] Глава 2. Анализ деятельности аппарата Гольджи в клетке

[3.1] 2.1. Анализ деятельности аппарата Гольджи в клетке

[3.1.1] Лизосомы

[3.1.1.1] «Морфология» лизосом

[3.1.1.2] Особенности биохимической организации

[3.1.1.3] Функции лизосом

[3.1.2] Пероксисомы и другие микротельца и вакуоли.

[3.1.2.1] Строение пероксисом

[3.1.2.2] Химическая природа и функции

[3.2] 2.2 Аппарат Гольджи: сортировка белков и передача сигнала

[3.3] 2.3. Аппарат Гольджи: молекулярный механизм функционирования

[4] Заключение

[5] Список литературы


Введение

Структуру, известную как комплекс Гольджи, впервые обнаружил в клетках животных в 1898г. Камилло Гольджи, итальянский врач и цитолог. Детальное исследование данной структуры сделано позже с помощью электронного микроскопа.

Аппарат Гольджи содержится в цитоплазме почти всех эукариотических клеток, особенно в секреторных клетках животных. У дрожжей комплекс Гольджи выражен несколько хуже, обычно в виде особого отдела эндоплазматического ретикулума. Комплекс Гольджи представляет собой стопку уплощенных мембранных мешочков, так называемых цистерн, и связанную с ними систему пузырьков, называемых пузырьками Гольджи. На одном конце стопки мешочков постоянно образуются новые цистерны путем слияния пузырьков, отпочковывающихся, от гладкого эндоплазматического ретикулума. На другом конце стопки, на внутренней стороне завершается созревание цистерн и они вновь распадаются на пузырьки. Таким образом, цистерны в стопке постепенно перемещаются от наружной стороны к внутренней.

Функцией аппарата Гольджи является транспорт и химическая модификация поступающих в него веществ. Исходным субстратом для ферментов являются белки, поступающие в аппарат Гольджи из эндоплазматического ретикулума. После модификации и концентрирования, ферменты в пузырьках Гольджи переносятся к «месту назначения», например к месту образования новой почки. Наиболее активно этот перенос осуществляется с участием цитоплазматических микротрубочек.

Аппарат Гольджи является компонентом всех эукариотических клеток (практически единственное исключение - эритроциты млекопитающих). Он представляет собой важнейшую мембранную органеллу, управляющую процессами внутриклеточного транспорта. Основными функциями аппарата Гольджи являются модификация, накопление, сортировка и направление различных веществ в соответствующие внутриклеточные компартменты, а также за пределы клетки. Он состоит из набора окруженных мембраной уплощенных цистерн, напоминающих стопку тарелок. Каждая стопка Гольджи (у растений называемая диктиосомой) обычно содержит от четырех до шести цистерн, имеющих, как правило, диаметр около 1мкм. Число стопок Гольджи в клетке в значительной степени зависит от ее типа: некоторые клетки содержат одну большую стопку, тогда как в других имеются сотни очень маленьких стопок.

Со стопками Гольджи всегда ассоциирована масса мелких (диаметром приблизительно 60 нм) ограниченных мембраной пузырьков. Полагают, что эти пузырьки (пузырьки Гольджи) переносят белки и липиды в аппарат Гольджи, транспортируют их из него и между остальными цистернами. Многие пузырьки являются окаймленными и покрыты клатрином или другим специфическим белком. Часто можно видеть, как такие окаймленные пузырьки отшнуровываются от цистерн Гольджи.

Аппарат Гольджи имеет две разные стороны: формирующуюся, или цис-сторону и зрелую, или транс-сторону Цис-сторона тесно связана с переходными элементами ЭР; транс-сторона расширяется, образуя трубчатый ретикулум, называемый транс-сетью Гольджи. Белки и липиды в составе небольших пузырьков попадают в стопку Гольджи с цис-стороны, а покидают ее, направляясь в различные компартменты, вместе с пузырьками, образующимися на транс-стороне. Переходя из одной стопки Гольджи в другую, эти молекулы претерпевают последовательные серии модификаций.


Глава 1. Аппарат Гольджи: структура и функции

1.1. Аппарат Гольджи: структура

Описание структуры аппарата Гольджи тесно связано с описанием его основных биохимических функций, поскольку подразделение этого клеточного компартмента на отделы производится преимущественно на основе локализации ферментов, расположенных в том или ином отделе.

Чаще всего в аппарате Гольджи выделяют четыре основных отдела: цис- Гольджи , медиал-Гольджи , транс-Гольджи и транс-Гольджи сеть ( TGN ).

Кроме того к аппарату Гольджи иногда относят так называемыйпромежуточный компартмент, представляющий собой скопление мембранных пузырьков между эндоплазматическим ретикулумом и цис-Гольджи. Аппарат Гольджи является очень полиморфной органеллой; в клетках разных типов и даже на разных стадиях развития одной и той же клетки он может выглядеть по-разному. Основные его характеристики таковы:

1) наличие стопки из нескольких (обычно 3-8) уплощенных цистерн, более или менее плотно прилегающих друг к другу. Такая стопка всегда бывает окружена некоторым (иногда очень значительным) количеством мембранных пузырьков. В животных клетках чаще можно встретить одну стопку, в то время как в растительных клетках их обычно бывает несколько; каждую из них в таком случае называют диктиосомой. Отдельные диктиосомы могут быть связаны между собой системой вакуолей, образуя трехмерную сеть;

2) композиционная гетерогенность, выражающаяся в том, что постоянные (resident) ферменты неоднородно распределены по органелле;

3) полярность, то есть наличие цис-стороны, обращенной к эндоплазматическому ретикулуму и ядру, и транс-стороны,обращенной к поверхности клетки (это особенно характерно для секретирующих клеток);

4) ассоциация с микротрубочками и областью центриоли. Разрушение микротрубочек деполимеризующими агентами приводит к фрагментации аппарата Гольджи, однако его функции при этом существенно не затрагиваются. Аналогичная фрагментация наблюдается и в естественных условиях, во время митоза. После восстановления системы микротрубочек разбросанные по клетке элементы аппарата Гольджи собираются (по микротру-бочкам) в область центриоли,и реконструируется нормальный комплекс Гольджи.

Комплекс Гольджи представляет собой стопку дискообразных мембранных мешочков (цистерн), несколько расширенных ближе к краям и связанную с ними систему пузырьков Гольджи. В растительных клетках обнаруживается ряд отдельных стопок (диктиосомы), в животных клетках часто содержится одна большая или несколько соединенных трубками стопок.

В цистернах Аппарата Гольджи созревают белки предназначенные для секреции, трансмембранные белки плазматической мембраны, белки лизосом и т.д. Созревающие белки последовательно перемещаются по цистернам органеллы, в которых происходит их окончательное сворачивание, а также модификации - гликозилирование и фосфорилирование.

Аппарат Гольджи ассиметричен - цистерны располагающиеся ближе к ядру клетки (цис-Гольджи) содержат наименее зрелые белки, к этим цистернам непрерывно присоединяются мембранные пузырьки - везикулы, отпочковывающиеся от гранулярного эндоплазматического ретикулума (ЭР), на мембранах которого и происходит синтез белков рибосомами.

Разные цистерны Аппарата Гольджи содержат разные резидентные каталитические ферменты и, следовательно, с созревающими белками в них последовательно происходят разные процессы. Понятно, что такой ступенчатый процесс должен как-то контролироваться. Действительно, созревающие белки «маркируются» специальными полисахаридными остатками (преимущественно маннозными), по-видимому, играющими роль своебразного «знака качества».

Не до конца понятно, каким образом созревающие белки перемещаются по цистернам Аппарата Гольджи, в то время как резидентные белки остаются в большей или меньшей степени ассоциированы с одной цистерной. Существуют две взаимонеисключающие гипотезы, объясняющие этот механизм. Согласно первой (1), транспорт белков осуществляется при помощи таких же механизмов везикулярного транспорта, как и путь транспорта из ЭР, причем резидентные белки не включаются в отпочковывающуюся везикулу. Согласно второй (2), происходит непрерывное передвижение (созревание) самих цистерн, их сборка из пузырьков с одного конца и разборка с другого конца органеллы, а резидентные белки перемещаются ретроградно (в обратном направлении) при помощи везикулярного транспорта.

В конце концов от противоположного конца органеллы (транс-Гольджи) отпочковываются пузырьки, содержащие полностью зрелые белки.

Морфология

Под обычным микроскопом в животной клетке комплекс Гольджи представляет собой скопления округлых и удлиненных разнообразной формы гранул, зернышек и других структур неправильной формы. В большинстве полярных секреторных клеток расположен апикально и может приобретать сетчатую форму (локальная форма). Иногда его структуры распределены в цитоплазме более или менее равномерно (диффузная форма).

Ультраструктура

Под электронным микроскопом аппарат Гольджи представляет собой стопки уплощенных плотно упакованных параллельных цистерн с отходящими от них тонкими трубочками (иногда сливающимися в сеть), завершающимися мелкими пузырьками и гранулами. Вся эта структура, включающая в типичном случае 6 цистерн (может достигать и 20) называется стопкой Гольджи или диктиосомой. Диаметр ее около 1 мкм, а количество на клетку от 1 до 100 и даже более, занимая значительную часть клетки (например, в бокаловидных клетках кишечного эпителия). Диктиосомы поляризованы. Сторона, обращенная в сторону ЭПР (выпуклая), называется формирующейся или цис-стороной (регенераторный полюс). Она связана с шероховатым ЭПР транспортными пузырьками или, даже, непосредственно с промежуточной его частью. Вторая сторона (вогнутая), обращенная в направлении плазмолеммы, имеет связь с крупными секреторными пузырьками, называется зрелой или транс-стороной (функциональный полюс). Здесь же обычно равномерно расположены мелкие гранулы и пузырьки.

Более того, цистерны комплекса Гольджи обладают не только рассмотренной выше вертикальной асимметрией, но и горизонтальной асимметрией – от центра к периферии каждой цистерны (с расширением цистерн по краям и  оформлением по периферии в предельном варианте сложной системы трубчатых переплетающихся структур, от которых отшнуровываются периферические пузырьки и вакуоли).

1.2. Аппарат Гольджи: функции

Функцией аппарата Гольджи является транспорт и химическая модификация поступающих в него веществ. Исходным субстратом для ферментов являются белки, поступающие в аппарат Гольджи из эндоплазматического ретикулума. После модификации и концентрирования, ферменты в пузырьках Гольджи переносятся к «месту назначения», например к месту образования новой почки. Наиболее активно этот перенос осуществляется с участием цитоплазматических микротрубочек.

Функции аппарата Гольджи очень многообразны. К ним можно отнести:

1) сортировку, накопление и выведение секреторных продуктов;

2) завершение посттрансляционной модификации белков (гликозилирование, сульфатирование и т.д.);

3) накопление молекул липидов и образование липопротеидов;

4) образование лизосом;

5) синтез полисахаридов для образования гликопротеидов, восков, камеди, слизей, веществ матрикса клеточных стенок растений (гемицеллюлоза, пектины) и т.п.

6) формирование клеточной пластинки после деления ядра в растительных клетках;

7) участие в формировании акросомы;

8) формирование сократимых вакуолей простейших.

Этот список, без сомнения, неполон, и дальнейшие исследования не только позволят лучше понять уже известные функции аппарата Гольджи, но и приведут к открытию новых. Пока самыми изученными с биохимической точки зрения остаются функции, связаные с транспортом и модификацией новосинтезированных белков.

Секреторная функция

Классический механизм секреции – это экскреция белкового секрета. Рассмотренным выше способом (1) синтезируются белки в гранулярном ЭПР, транспортируются по каналам ЭПР, затем в виде транспортных пузырьков и, наконец, оказываются на цис-полюсе в формирующихся цистернах аппарата Гольджи. Здесь происходит созревание секрета и его обособление в гранулах. Этот процесс включает:

1) накопление секрета, т.е. постепенное заполнение формирующихся цистерн секретируемым белком, поступающим в транспортных вакуолях;

2) концентрирование секрета, т.е. уменьшение содержания воды, в случае необходимости, укладка и упаковка молекул и т.д.;

3) оформление секреторных гранул или пузырьков, причем, если секрет оформляется в центральных цистернах, то происходит его накопление в терминальных участках цистерн («горизонтальная» поляризация), от которых отшнуровываются через трубочки и канальцы секреторные гранулы; если же секретирование происходит от транс-полюса, то это могут быть крупные пузырьки или целая цистерна, заполненная зрелым секретом;

4) экскреция оформленных секреторных гранул и пузырьков.

Следует отметить, что в процессе секретирования может происходить еще и химическое преобразование секретов, однако эта функция настолько важна, что рассмотрим ее специально.

Вторичное гликозилирование

Ранее было указано, что первичное гликозилирование происходит  в каналах ЭПР, здесь же начинается и их процессинг, который завершается в аппарате Гольджи Однако, программа процессинга очень сложна имногообразна, механизмы его до сих пор неясны. Процессинг сопровождается вторичным гликозилированием, в ходе которого из одинакового олигосахарида, который был привязан к различным белкам, мы получаем совершенно различные гликопротеины в результате дивергентных и взаимоисключающих способов гликозилирования (по-видимому определяемых белковой молекулой).

Метаболическая функция

Как уже отмечено выше, полисомы в пограничном с аппаратом Гольджи слое цитозоля синтезируют ряд ферментов. Эти ферменты внутри комплекса Гольджи выполняют ряд весьма ответственных синтезов. Так, показано, что многие компоненты гликокаликса, компоненты клеточной стенки у растений, гликозаминогликаны, гликопротеиды, гликолипиды приобретают свой углеводный компонент в комплексе Гольджи, причем он здесь же и синтезируется (продемонстрировано с включением метки, а также с использованием методом цитохимии ферментов). В комплексе Гольджи происходит фосфорилирование и сульфатирование секретов (например, сульфатирование гликозаминогликанов в хондроцитах).

Таким образом, комплекс Гольджи ответственен за кооперативный синтез сложных комплексных соединений широкого спектра (например, молекулы иммуноглобулинов, протеогликанов, специфических поверхностных структур и рецепторов и т.д.).

Внутриклеточный сортинг и адресация

Ранее было показано, что в шероховатом ЭПР синтезируются и оказываются сегрегированными молекулы разнообразных белков совершенно различного назначения. Часть из них уже непосредственно из ЭПР в виде транспортных пузырьков могут достигать своей точки назначения. Однако, ЭПР не обладает информацией для направленного транспорта всех синтезированных белков по месту их назначения. Эту функцию в ходе эволюции взял на себя аппарат Гольджи, куда в транспортных пузырьках и направляются все синтезированные белки. В определенных специализированных участках мембран комплекса Гольджи (мы уже упоминали о специализации диктиосом) встроены специфические рецепторы «груза» (т.е. типа транспортируемых молекул), куда и собираются данные молекулы. С  другой стороны этого участка мембраны имеются маркеры стыковки (молекулы способные точно узнавать акцепторы маркеров стыковки по месту назначения). По мере накопления «груза» мембрана выпячивается и отпочковывается пузырек, который одновременно одевается специальным белком клатрином и потому называется окаймленным пузырьком. Таким образом, окаймленный пузырек, в отличие от обычного, покрыт клатрином, содержит всегда только мономолекулярный груз, внутри в мембрану встроен рецептор этого груза, а снаружи – маркер стыковки (для узнавания адреса в мембране места назначения). При раздевании клатриновой оболочки происходит взаимодействие маркеров стыковки со своими акцепторами в мембране-мишени, слияние пузырьков с мембраной структуры места назначения и выброс груза. Увеличение площади поверхности мембран-мишеней приводит здесь к обратному процессу: отпочковывание пузырьков (со всеми их рецепторами), одевание клатриновой оболочкой и  возвращение мембранного материала в виде пустых пузырьков обратно в аппарат Гольджи. Процесс носит циклический характер.   

Интегративная функция

Эту функцию иногда упрощенно еще называют функцией мембранного депо клетки. Это связано с той узловой ролью, которую играет аппарат Гольджи в мембранном потоке в клетке. Как мы уже упоминали, синтез мембранных компонентов и их самосборка происходит в районе шероховатой ЭПР, затем мембраны в виде пузырьков поступают и интегрируются в комплекс Гольджи, где происходит их модификация, достройка (в транс-зоне мембраны в 1,5 раза толще, чем в цис-зоне) и транспортировка во все органоиды и к плазмолемме (в том числе и в ходе секретирования, экзоцитоза ). Существует и обратный поток мембран. В ходе эндоцитоза мембрана плазмолеммы впячивается и в виде мембранных пузырьков, фаго- и пиносом так или иначе опять взаимодействуют с ЭПР и аппаратом Гольджи, пополняют внутриклеточный фонд мембран, вовлекаются в их поток. С этой функцией тесно связана и следующая, к анализу которой мы приступаем.

Морфогенетическая

Название, конечно же условное и основанием для него является только то, что речь идет о формообразовании, о создании заново многих мембранных структур, среди которых мы выделим особо лизосомы и пероксисомы (т.е. лишь один из многочисленных типов микротелец).


Глава 2. Анализ деятельности аппарата Гольджи в клетке

2.1. Анализ деятельности аппарата Гольджи в клетке

Лизосомы

Лизосомы - это маленькие, окруженные одинарной мембраной пузырьки. Они отпочковываются от аппарата Гольджи и, возможно, от эндоплазматического ретикулума. Лизосомы содержат разнообразные ферменты, которые расщепляют крупные молекулы, в частности белковые. Из-за своего разрушительного действия эти ферменты как бы «заперты» в лизосомах и высвобождаются только по мере надобности. Так, при внутриклеточном пищеварении ферменты выделяются из лизосом в пищеварительные вакуоли. Лизосомы бывают необходимы и для разрушения клеток; например, во время превращения головастика во взрослую лягушку высвобождение лизосомных ферментов обеспечивает разрушение клеток хвоста. В данном случае это нормально и полезно для организма, но иногда такое разрушение клеток носит патологический характер. Например, при вдыхании асбестовой пыли она может проникнуть в клетки легких, и тогда происходит разрыв лизосом, разрушение клеток и развивается легочное заболевание.

«Морфология» лизосом

Как уже упоминалось, морфология (в строгом смысле этого слова) лизосом очень проста – это одномембранные округлые образования. Однако традиционно всегда выделяли четыре «типа» лизосом (строго говоря – это не типы, а четыре морфологически различных структуры, отражающих разные этапы их функционирования):

Исходные (первичные) лизосомы – мешочки с гидролазами.

Фаголизосомы  – это исходные лизосомы, слившиеся с фагоцитарной вакуолью и находящиеся на этапе активного переваривания ее содержимого.

Вторичная лизосома – фаголизосома, повторно слившаяся с новой фагосомой и повторяющая цикл переваривания (может повторяться многократно) внешне мало отличающаяся от фаголизосомы.

Аутофагирующая вакуоль – вакуоль, в которой перевариваются собственные компоненты клетки: мембраны ЭПР, митохондрии и другие компоненты.

Остаточное тельце – вакуоль, содержащая бесформенные непереваримые остатки.  

Особенности биохимической организации

Пассивная компартментализация подразумевает только временную изоляцию мощных гидролаз в тоненьких мембранных мешочках. Инактивация ферментов достигается многими факторами. Первый из них – это поддержание рН среды не соответствующее оптимуму активности ферментов. Кроме того, около 20 % ферментов встроено в мембрану лизосом и временно инактивировано в ней за счет связи с липидами. Остальные 80 % не встроены в мембрану, а находятся в мукополисахаридном матриксе лизосом, а сами молекулы ферментов снабжены углеводными компонентами (гликозилированы).

Для своевременной активации ферментов, в случае необходимости, лизосомы снабжены развитым рецепторным аппаратом, способностью быстро перемещаться в клетке (по-видимому, благодаря микротрубочкам матрикса), а также быстро вызывать локальное разрушение мембраны.

Функции лизосом

Первые представления о функциях лизосом возникли еще в конце Х1Х – начале ХХ века, однако, с середины прошлого века появился принципиально новый подход к исследованию этогоявления, базирующийся на работах биохимиков.

Участие в фагоцитозе

Начиная с работ И.И.Мечникова и его учеников, большое развитие получило исследование гетерофагической активности лизосом в результате захвата клетками (экзоцитоза) чужеродных частиц и их переваривания.

Внутриклеточное пищеварение

У многих одноклеточных развились на базе гетерофагической функции пищеварительные вакуоли, как видоизменение в ходе эволюции функций лизосом так, что появились постоянные пиноцитозные комплексы,  представляющие собой постоянно существующие  в клетке, ограниченные мембраной резервуары. Появляется необходимость организовать постоянный поток в эти эндоцитозные комплексы поглощенных из внешней среды пищевых частиц, а также непрерывное поступление в эти комплексы всего набора необходимых гидролаз.     

В ходе эволюции эта система внутриклеточного пищеварения достигла такого совершенства, что элементы ее сохраняются на разных уровнях организации (губки, моллюски, клещи и, даже, млекопитающие в начале постнатального развития).

Внеклеточная гидролитическая активность

Лизосомный аппарат клеток представляет собой специализированную часть катаболитной системы цитоплазмы, активность которого проявляется в необходимый момент   в любом участке клетки (в том числе и во внеклеточном пространстве).

Гидролитическая активность, выделяемых лизосомами в периплазматическое пространство гидролаз, которое у многих прокариот служит главным способом обеспечения клетки метаболитами для обеспечения как пластического, так и энергетического обмена  прокариотической клетки.

Возникновение полостного пищеварения в ходе эволюции – аналогично выше описанному явлению. Просто эта функция внеклеточного проявления гидролитической активности закрепилась только за определенными клетками – клетками кишечного эпителия  (и специальных секреторных клеток, у которых эта функция гипертрофирована).

Специфическое «растворение» клеточной мембраны или даже оболочки клетки в некоторых ситуациях: 1) при оплодотворении в ходе слияния гамет; 2) разрушение стенки при конъюгации и при делении клеток у прокариот; 3)

Микрофаги обладают совершенно и сложно организованными механизмами для внеклеточной работы лизосомных гидролаз.   Функция выведения гидролаз, при этом, осуществляется либо отшнуровыванием периферичеких участков цитоплазмы при участии актин-миозиновой системы, либо, даже, с помощью микротрубочек (из центральных участков клетки).

Некоторые функции из этого разряда настолько важны, что хочется даже выделить их особо.

Формирование, обновление и регенерация тканей в  ходе эмбриогенеза и онтогенеза

В ходе эмбрионального и постнатального формирования, например, костной ткани вместо хрящевой, как при перихондральном, так и, особенно при энхондральном окостенении разрушение хрящевой модели кости происходит в результате активной деятельности лизосом особых клеток – остеокластов. Аналогичным способом происходит и обновление костной ткани в течение всей жизни человека и других позвоночных: происходит непрерывное внеклеточное разрушение костного вещества гидролазами лизосом, а взамен его остеоциты синтезируют, экскретируют и формируют заново межклеточное вещество. Примерно каждые 7 лет происходит его полная замена.

Участие в метаморфозе

Как известно, у насекомых с полным превращением существует стадия куколки, в ходе которой происходит за счет гидролитической активности лизосом полное разрушение большинства органов личинки. Освободившиеся при этом пластические вещества используются для формирования имаго – взрослого насекомого.

Участие в линьке

Насекомые с неполным превращением, да и вообще многие животные в ходе онтогенеза неоднократно претерпевают процесс линьки. Перед линькой происходят сложные процессы формирования новых кожных покровов, а старые покровы в результате специфической активности гидролаз лизосом легко отделяются от тела.

«Дворники» клетки

Как бы ни были многообразны функции лизосом, рассмотренные нами выше, но они, тем не менее, никак не объясняют, почему же все-таки лизосомы являются обязательным органоидом любой клетки, как животной, так и растительной. Эта универсальность лизосом объясняется только одной их функцией – аутофагирующая активность, т.е. способность переваривать «мусор» (хотя это только одна из сторон аутофагии). Это старые, утратившие свое назначение, или просто неполноценные, не способные выполнять свою функцию органоиды клетки или участки цитоплазмы, или просто даже отдельные молекулы либо надмолекулярные структуры. Все эти компоненты должны быть разрушены, а их метаболиты включены в общий метаболический фонд клетки. Эта функция – важнейшая и неизбежная функция любой клетки. Она представляет собой, фактически, катаболическую часть (сторону) внутриклеточной физиологической регенерации.  

Процесс аутофагии протекает следующим образом. Компонент цитоплазмы, подлежащий аутолизу подвергается компартментализации, образуя аутофагирующую вакуоль (либо при участии мембран ЭПР, либо за счет комплекса Гольджи). Лизосомы направляются к аутофагирующей вакуоли и, узнавая ее, выделяют гидролитические ферменты в ее полость.

Реконструктивная функция лизосом

Многоклеточные организмы (как животные, так и растения) в условиях голодания способны поддерживать жизнеспособность организма  и клеток за счет так называемого эндогенного питания, гидролизуя лизосомами части различных цитоплазматических структур (начиная, конечно же, с включений с запасами питательных веществ).

Использование запасов питательных веществ

Хорошим примером специфической аутофагии является использование запасов питательных веществ при прорастании семян у растений, когда лизосомы гидролизуют запасы крахмала, жиров или белков. Подобное же явление наблюдается и у животных в клетках жирового тела насекомых.

Регуляторная аутофагия

В клетках щитовидной железы (подобные ситуации встречаются и во многих других типах железистых клеток) и передней доли гипофиза наблюдается регуляторная аутофагия, т.е. способность лизосом сливаться с секреторными гранулами и гидролизовать избыток синтезированного секрета. Таким образом регулируется количество гормона, поступающего в кровь позвоночных.

Участие в формировании кожного эпителия позвоночных

Многослойный плоский ороговевающий эпителий кожи человека, как известно, может нормально формироваться только при нормальном функционировании лизосом в трех верхних слоях эпителия. В случае нарушения их нормальной работы (наследственное заболевание ихтиоз) роговые чешуйки кожи не слущиваются, кожа трескается и кровоточит.

Интегративная функция в метаболизме

Аутофагическая функция лизосом – это один из наиболее древних и универсальных механизмов обеспечения нормального функционирования клеток, их регенерации, дифференцировки и восстановления. Нарушение этих механизмов приводит к серьезным расстройствам не только на клеточном, но и на организменном уровне. Хорошей иллюстрацией являются так называемые болезни накопления у человека. В результате мутаций возникают изменения в структуре либо функциях ферментов (или даже одного фермента) лизосом. Это приводит к нарушению нормальной катаболической функции цитоплазмы, в клетках накапливаются неразрушимые компоненты, что приводит чаще всего к смерти.  

Пероксисомы и другие микротельца и вакуоли.

Как в растительных, так и в животных клетках встречаются многочисленные мембранные пузырьки разнообразного химического состава и с различными функциями, называемые микротельцами, вакуолями, сферосомами, липосомами, пероксисомами и т.д. Как правило, они являются производными ЭПР, однако по отношению к пероксисомам существует даже предположение, что они являются своеобразными самовоспроизводящимися компонентами клетки.

Для растительной клетки самым характерным компонентом являются вакуоли – мелкие пузырьки, окруженные однослойной элементарной мембраной, способные к слиянию с образованием в зрелой клетке одной крупной центральной вакуоли, содержащий клеточный сок. Кроме своей важнейшей, едва ли не главной и универсальной функции осморегуляции и поддержания тургорного давления, вакуоли выполняют еще и накопительную функцию, которая реализуется в двух аспектах: 1) накопительно-экскреторная функция, обеспечивающая изоляцию многих катаболитов, бесполезных и даже вредных для клетки соединений как минеральной, так и органической природы; 2) функция запасания полезных соединений (белков, углеводов). Накопление же соединений липидной природы в растительной клетке обеспечивается специально предназначенными для этого органоидами – сферосомами.

Пероксисомы – это небольшие мешочки или вакуоли, диаметром 0,3 – 1,5 мкм, встречающиеся в клетках простейших, грибов, некоторых клетках высших растений и животных.

Строение пероксисом

Пероксисомы ограничены одной элементарной мембраной, внутри содержат гранулярный матрикс. В центре матрикса как правило обнаруживается сердцевина  или нуклеоид.  Следует отметить, что это образование представляет собой кристаллоподобную структуру, состоящую из регулярно упакованных фибрилл или трубочек (например, в гепатоцитах – это фермент уратоксидаза). Таким образом, эта структура ничего общего не имеет с нуклеоидом прокариот – пероксисомы не имеют генетической информации.  Пероксисомы часто контактируют с митохондриями или пластидами (источник энергии), расположены вблизи ЭПР.

Химическая природа и функции

Маркерным признаком для всех пероксисом является наличие ферментов, связанных с разрушением перекиси водорода – каталазы, пероксидазы. Перекись водорода возникает в этих органоидах в результате деятельности ферментов оксидаз. Так как перекись водорода – очень сильный яд для клеток, то она здесь же и разрушается (например, в пероксисомах клеток печени до 40 % белков – это каталаза). Наблюдается высокая степень специализации этих органоидов – разные «мешочки», как правило, имеют разные оксидазы (и, следовательно, выполняют разные функции): оксидазы D-аминокислот, уратоксидазы или, например, ферменты глиоксилатного цикла (обеспечивающие превращение жиров в углеводы). Таким образом, пероксисомы – очень хороший пример  компартментализации метаболизма  в клетке.

2.2 Аппарат Гольджи: сортировка белков и передача сигнала

Комплекс Гольджи функционирует на пересечении секреторных путей, осуществляя прием вновь синтезированных белков и липидов из ЭР, их ковалентную модификацию, а затем - сортировку продуктов реакций согласно их назначениям. В дополнение к этому, Гольджи возвращает некоторые компоненты в ЭР. Таким образом, Гольджи функционирует как в качестве области процессинга для синтезированных в ЭР гликопротеинов и гликолипидов, так и в качестве фильтрующей системы, отделяя белки, предназначенные для включения в плазматическую мембрану, от таковых, возвращаемых в ЭР. Для исполнения указанных функций Гольджи организован в виде уплощенных цистерн со встроенными трансмембранными ферментами процессинга. Селективный транспорт-удержание различных видов белков и липидов в пределах данной системы опосредован цитозольными белками оболочки, аггрегирующими на поверхности мембран Гольджи, собирающими транспортируемый материал и способствующими изменению кривизны поверхности липидного бислоя таким образом, чтобы осуществить эндоцитоз и транспорт интермедиатов.

Ввиду того, что перемещающиеся внутрь или наружу транспортные интермедиаты часто преодолевают значительные расстояния, Гольджи неразрывно связан с цитоскелетом. В клетках млекопитающих положение Гольджи устанавливается микротрубочками.

Обилие актинсвязывающих белков в комплексе Гольджи, окружающих его подобно строительным лесам, также может способствовать пространственному контролю мембранного транспорта.

Каким образом Гольджи регулирует сортировку белков и эндоцитоз, а также координирует эти функции с цитоскелетом для достижения пространственного и временного контроля секреторного транспорта?

Два недавних исследования, дают пищу для рассуждений в данной области, предполагая, что трансмембранные транспортные белки и Cdc42 , организующая актин ГТФаза семейства Rho , конкурируют за один и тот же участок COPI , регулирующего секреторный транспорт.

2.3. Аппарат Гольджи: молекулярный механизм функционирования

Гептамерный цитозольный белковый комплекс, называемый COPI (мембранный комплекс Гольджи, коатомер), в соединении с GTP-связывающим белком ARF 1 образует оболочку таким образом, что, будучи ассоциированным в мембраны Гольджи, предположительно содействует мембранному экзоцитозу и реакциям расщепления, связанным с мембранным транспортом Гольджи. Включение COPI в мембраны Гольджи требует присутствия ARF1, который работает по GTPазному циклу . ARF1-GTP осуществляет включение COPI в мембраны Гольджи, тогда как гидролиз GTP предположительно запускает высвобождение COPI из мембраны в цитозоль, что делает возможным включение COPI в периодические циклы сборки-разборки оболочки. Таким образом, ARF1 функционирует в качестве двойного переключателя, осуществляющего управление интеграцией COPI в мембраны и, следовательно, регулировку его функции.

Первоначально предполагалось, что связывающиеся с мембраной ARF1 и коатомер участвуют неселективно в формировании транспортных пузырьков. Данная модель предполагала наличие значительного потока транспортируемых веществ через секреторные пути и постулировала, что полимеризация коатомера, управляемая посредством циклизации ГТФ с помощью ARF1, обеспечивает механико-химическую энергию для образования пузырьков. В результате проведенных с тех пор разнообразных исследований указанная точка зрения была скорректирована. Активация ARF1 оказывает значительное влияние на фосфолипидный состав мембраны и стимулирует встройку, актина и других белков цитозоля в мембраны Гольджи. Это предполагает способность ARF1 облегчать процессы сортировки, эндоцитоза и стыковки мембран комплекса Гольджи.

Для фрагмента коатомера была также обнаружена способность связывать два остатка лизина в С-концевом мотиве трансмембранных белков, обеспечивающих циклический транспорт между Гольджи и ЭР и функционирующих, как предполагают, в качестве возвращающих в ЭР последовательностей. Взаимодействуя подобным образом с цитоплазматическими фрагментами транспортирующих белков, COPI может собирать транспортируемые вещества в везикулы и опосредовать сортировку транспортирных белков.

Что касается последней из указанных функций, предметом значительных дискуссий был вопрос о том, упаковывает ли мембраносвязанный COPI транспортируемые вещества в везикулы экзо- или эндоцитозного или обоих типов.

У дрожжей мутантные субъединицы COPI были идентифицированы по схеме, разработанной для обнаружения мутантов, неспособных удерживать/реутилизировать маркированные двумя остатками лизина молекулы при сохранении остальной части цикла.

В результате возникло предположение о том, что ассоциированный с содержащими дилизиновые мотивы трансмембранными транспортирующими белками COPI опосредует обратный транспорт. Однако, дальнейший анализ отдельных аллелей sec21 (гамма-COP) показал наличие зависящих от типа транспортируемого вещества селективных дефектов и при прямом транспорте. Более того, коатомер распознает также последовательности, родственные дилизиновым и диаргининовым, в цитоплазаматических фрагментах белков p24 , большого семейства потенциальных переносчиков, которыми изобилует Гольджи и для которых было показано участие в двунаправленном транспорте. С учетом этих, как и предыдущих биохимических и морфологических данных, подтверждающих роль коатомера в прямом транспорте, становится неясным направление (т. е., прямое или обратное) переноса везикул. Дополнительная возможность заключается в том, что опосредованная ARF1 ассоциация COPI с мембраной может служить для латерального разделения белков и липидов в отдельные группы, транспортируемые в дальнейшем прямым или обратным способом. Наличие данной функции было предложено в результате наблюдения того, что блокирование ассоциации COPI с мембраной у мутантов с ингибированием ARF1 либо посредством обработки брефельдином А (BFA), предотвращающим активацию ARF1, само по себе не препятствует мембранному транспорту, но дестабилизирует его, что приводит к неселективности возврата белков в ЭР.


Заключение

Комплекс Гольджи или аппарат Гольджи, названный так в честь великого итальянского ученого Гольджи, принято сейчас называть просто пластинчатым комплексом, однако историческое название все еще более распространено, чем новое. Комплекс Гольджи был открыт в конце 19 века с использованием метода серебрения. Выявлялся только в животных клетках,  лучше всего развит в секреторных клетках, в растительных клетках был обнаружен только в электронном микроскопе.

Аппарат Гольджи является одной из наиболее динамичных структур клетки, обеспечивающих интеграцию многих процессов, происходящих в отдельных ее частях и органоидах. Следует отметить часто наблюдающуюся функциональную и биохимическую гетерогенность различных диктиосом. В случае, если клетка одновременно синтезирует несколько типов секретов, то показано, что различные соединения модифицируются и оформляются в различных диктиосомах. В окружающем цитозоле отмечены скопления полисом, предположительно синтезирующих необходимые для работы комплекса Гольджи ферменты.

Мембраны Гольджи взаимодействуют также со множеством двигательных белков и белков, включая, спектрин, а также анкирин, облегчающий пространственное управление Гольджи мембранным транспортом, а также, вероятно, способный координировать сигнальные механизмы.

Каким образом могла бы быть организована и регулируема такая база? В течение нескольких лет было известно, что мембранный скелет, чьи компоненты включают актинсвязывающие белки спектрин и анкирин, ассоциирован с цитоплазматической поверхностью Гольджи. Структура этих "лесов" в совокупности с другими ассоциированными с Гольджи периферическими белками (включая многие из вышеупомянутых сигнальных молекул) сильно нарушается при обработке BFA . Это позволяет предположить, что их ассоциация с Гольджи либо непосредственно зависит от ARF1-ГТФ, либо находится в зависимости от комплексов, чья сборка инициируется активностью ARF-1. Недавно было показано, что активность ARF1 вызывает возрастание уровня содержания PIP2 в Гольджи посредством встраивания PI4K бета в мембраны Гольджи. Поскольку генерирование PIP2 приводит к сборке актина и спектрина на мембране Гольджи, другие белки могут ассоциироваться и стабилизироваться в этой области, вероятно, ввиду возрастания эффективности сообщения между другими сигнальными молекулами и микротрубочками.

Таким образом, произведенный с помощью ARF1 PIP2 мог бы исполнять множество сходных сигнальных функций посредством встраивания молекул в мембрану, модулирования активности регуляторных молекул ARF, а также в качестве кофактора PLD.

Усилия исследователей в области мембранного транспорта, цитоскелета и преобразования сигнала дали бы возможность детальной разработки роли регуляторных молекул и Cdc42 и COPI, в процессах сортировки и сигнального механизма комплекса Гольджи.


Список литературы

1. Албертс Б., Брей Д., Льюс Дж., Рэфф М., Робертс К., Уотсон Дж. Молекулярная биология клетки, т. 1. М., 1994

2. Власова З.А. Биология. Справочник студента - М., 2001

3. Воронцов Н. Н., Сухорукова Л. Н. Эволюция органического мира - М., 2002

4. Грин Н. Биология - М., 2003

5. Де Робертис Э. Новинский В., Саэс Ф. Биология клетки. М., Мир, 2001

6. Зегнбуш П. Молекулярная и клеточная биология. М., Мир, т2004

7. Мамонтов С.Г. Биология - М., 2004

8. Свенсон К., Уэбстер П. Клетка. М., Мир, 2000.

9. Сидоров Е.П. Общая биология - М., 2003

10. Ченцов Ю.С., Поляков В.Ю. Ультраструктура клеточного ядра. М., Наука, 2004

11. Ярыгин В.Н. Биология - М., 2001

PAGE  5


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

78967. Управления активами ООО «Гранит-М» 320.46 KB
  Рассмотреть многообразие активов организации и осуществить их классификацию; провести оценку современного состояния активов организаций на примере ООО «Гранит-М»; исследовать особенности определения потребности предприятий в оборотных активах; анализ эффективности использования активов предприятия...
78968. Натурфилософская и позитивистская и диалектическая концепции взаимосвязи философии и науки 43.5 KB
  Натурфилософская и позитивистская и диалектическая концепции взаимосвязи философии и науки.Натурфилософская концепция Сосуществования философии и науки как самостоятельных и во многом различающихся по предметам средствам методам и функциям форм познавательной и ориентировочной деятельности человека был сформулирован ряд концепций об их взаимоотношении. Кратко сущность концепции может быть выражена формулой: Философия наука наук что означает: гносеологический приоритет философии как более фундаментального вида знания по сравнению с...
78969. Чувственное, рациональное, интуитивное в научном познании и творчестве 28.5 KB
  Чувственность рациональность и интуиция – основные способности человека которые необходимы как в научном так и в ненаучном познании. Ощущения – знания об отдельных свойствах предмета Восприятие – целостное восприятие предмета Представление – воспроизведение предметов по памяти фантазия воображение На уровне восприятия возможна интуиция. В научном обществе помимо логических доказательств определений обоснований важное значение имеет игра воображение фантазия интуиция. Интуиция – это непосредственное знание полученное без обращений...
78970. Эмпирический уровень научного познания и его методы 33 KB
  Эмпирический уровень научного познания и его методы.Традиционно принято различать два уровня научного познания: эмпирический и теоретический. Структура эмпирического знания. Несмотря на близость понятий чувственного и эмпирического уровня знания между ними не может иметь место логическая выводимость одного вида знания из другого.
78971. Наблюдение и эксперимент в научном познании, виды экспериментов. Роль приборов 31 KB
  Все приборы условно можно разделить на два класса качественные и количественные. Качественные приборы используют когда интересуются качественной стороной объекта если она не может быть получена непосредственно с помощью органов чувств.В зависимости от выполняемых функций качественные приборы делят на 3 группы:Приборыусилители применяются в тех случаях когда идущие от объекта сигналы остаются за порогом ощущений когда особенности среды затрудняют изучение сигналов. Эти приборы предназначены для изучения класса явлений объективные...
78972. Формы развития научных знаний: проблема, факт, гипотеза, теория, научно-исследовательская программа 37.5 KB
  Проблема - объективно возникающий в ходе развития познания вопрос или комплекс вопросов, решение которых представляет существенный практический или теоретический интерес. Проблема в науке - это такая задача или вопрос
78973. Изменчивость научного знания как проблема философии науки. Представление о движущих силах развития научного знания. 45 KB
  Изменчивость научного знания как проблема философии науки. Представление о движущих силах развития научного знания. XX века в качестве оппозиции экстернализму подчеркивавшему фундаментальную роль социальных факторов как на этапе генезиса науки так и на всех последующих этапах развития научного знания. Последнему принадлежит наиболее значительная попытка обоснования правомерности интерналистской программы развития научного знания.
78974. Теоретический уровень научного познания и его методы 37 KB
  Теоретический уровень научного познания и его методы Теоретический уровень высший уровень научного познания включает факты добытые эмпирическим путем предшествующие развитию науки а также логические выводы добытые разумом человека. Абстрагирование Процесс познания всегда начинается с рассмотрения конкретных чувственно воспринимаемых предметов и явлений их внешних признаков свойств связей. является необходимым моментом процесса познания.
78975. Кумулятивистская и антикумулятивисткая модели развития науки, концепции Поппера, Куна, Лакатоса 30.5 KB
  Кумулятивистская и антикумулятивисткая модели развития науки концепции Поппера Куна Лакатоса. Концепция Куна Кун считает что развитие науки представляет поцесс поочередной смены двух периодов – нормальной науки и научной революции. Причем последние гораздо более редки в истории развития науки по сравнению с первыми. Характер концепции Куна определяется пониманием научного сообщества члены которого разделяют определенную парадигму приверженность к которой обуславливается положением его в данной социальной организации науки принципами...