Вакуолярная система

Вакуолярная система внутриклеточного транспорта состоит из одномембранных разнообразных по строению и функциям органелл (эндоплазматический ретикулум, аппарат Гольджи, лизосомы, эндосомы, пероксисомы, секреторные вакуоли), выполняющие общую функцию синтеза, модификации (перестройки), сортировки и экспорта (выведения) из клетки биополимеров, главным образом белков-гликопротеинов, а также функцию синтеза мембран этой системы и плазматической мембраны.

Схема функционирования вакуолярной системы.

Мембранные везикулярные компоненты, объединенные в единую функциональную систему, имеют общее свойство: они представляют собой одномембранные компартменты, имеющие один общий источник образования — гранулярный ЭПР. Характерны кооперативность ее функционирования, взаимосвязь и последовательность этапов образования, перестройки, транспорта и экспорта синтезированных белков.

1. ЭПР: синтез белков, их первичная модификация и соединение с олигосахаридами с образованием гликопротеинов, синтез мембранных липидов и их встраивание в мембрану.

2. Отделение вакуолей, содержащих новообразованные продукты, их переход в цис-зону АГ.

3. Промежуточная зона АГ: дополнительные модификации гликопротеинов.

4. Транс-зона АГ: сортировка секреторных и лизосомальных белков, отделение вакуолей.

5. Экзоцитоз (секреция).

6. Экзоцитоз постоянный.

7. Эндоцитоз.

8. Вторичная лизосома.

9. Рециклизация рецепторов плазматической мембраны.

10. Гладкий ЭПР: синтез и конденсация липидов.

11. Транспорт в зону АГ.

12. Транспорт от АГ в ЭПР.

Эндоплазматический ретикулум (сеть) (ЭПР или ЭПС) — это система цистерн и каналов, «стенка» которых образована мембраной. ЭПР пронизывает цитоплазму в разных направлениях и делит ее на изолированные отсеки (компартменты). Благодаря этому в клетке осуществляются специфические биохимические реакции. ЭПР выполняет также синтетическую и транспортную функции. Если на поверхности ЭПР есть рибосомы, его называют гранулярным (шероховатым), если рибосом нет — гладким. На рибосомах (полисомах) осуществляется синтез белков, удаляемых из клетки (например, секретируемых клетками желез). Плотно упакованные в слоистую структуру цистерны шероховатой сети являются участками наиболее активного белкового синтеза и называются эргастоплазмой. Белки проходят через мембрану в цистерны ЭПР, где приобретают третичную структуру и транспортируются по каналам к месту потребления. На гладком ЭПР происходит синтез углеводов, липидов, стероидных гормонов, холестерина.

Гладкий ЭПР принимает участие также в выведении ионов хлора в клетках эпителия желез желудка. Будучи депо ионов кальция, гладкий ЭПР участвует в сокращении кардиомиоцитов и волокон скелетной мышечной ткани. Выявлена его роль в детоксикации гепатоцитами веществ, которые поступают из полости кишки по воротной вене в печеночные капилляры. Он так же имеет отношение к метаболизму гликогена. ЭПР — основное место биосинтеза и построения мембран цитоплазмы. Отчленяющиеся от него пузырьки представляют исходный материал для других одномембранных органелл: аппарата Гольджи, лизосом, вакуолей.

Патология ЭПР

В условиях патологии можно наблюдать два вида морфологических изменений - гиперплазию и атрофию эндоплазматического ретикулума. Гиперплазия ЭР связана с воздействием экотоксинов - ДДТ, диметилнитрозамина, фосфора, а также с вирусной инфекцией. Атрофия ЭР, то есть уменьшение его размеров, сопровождается снижением белково-синтетических функций клетки (при голодании, болезнях печени, старении). Описанное под названием «дегрануляция шероховатого ЭР» уменьшение числа рибосом, связанных с ЭР, и общего числа рибосом часто наблюдается в гепатоцитах при интоксикации этионином, четыреххлористым углеродом и пиромицином. Эти изменения обратимы и свидетельствуют о снижении белкового синтеза. Наконец, необходимо помнить, что ЭР также является пристанищем для некоторых вирусов, в частности ретровирусов.

Таким образом, нарушение структуры и функции биологических мембран и ЭПС как ее производной приводит к возникновению и развитию патологических состояний обратимого и необратимого характера. Важно отметить, что самые ранние, начальные стадии патологического процесса, проявляющиеся только на уровне ультраструктур клеток, могут быть компенсированы.

Аппарат Гольджи расположен около клеточного ядра. Наиболее крупные аппараты Гольджи находятся в секреторных клетках. АГ образован совокупностью диктиосом (от нескольких десятков до сотен и тысяч). Диктиосома представлена стопкой из 3—12 уплощенных дискообразных цистерн, от краев которых отшнуровываются пузырьки (везикулы). Ограниченные определенным участком (локальные) расширения цистерн дают более крупные пузырьки (вакуоли). В дифференцированных клетках позвоночных животных и человека диктиосомы обычно собраны в околоядерной зоне цитоплазмы. Края цистерн переходят в трубочки, от которых отчленяются пузырьки (пузырьки Гольджи), транспортирующие заключенное в них вещество к месту его потребления. Отчленение пузырьков Гольджи происходит на одном из полюсов аппарата. Со временем это приводит к исчезновению цистерны. На противоположном полюсе аппарата осуществляется сборка новых дисков-цистерн. Они формируются из пузырьков, отпочковывающихся от гладкой эндоплазматической сети. Содержимое этих пузырьков, «унаследованное» от ЭПР, становится содержимым аппарата Гольджи, в котором подвергается дальнейшей переработке. Функции аппарата Гольджи разнообразны: секреторная, синтетическая, строительная, накопительная. Одна из важнейших функций - секреторная. В цистернах аппарата Гольджи происходит синтез сложных углеводов (полисахаридов), осуществляется их взаимосвязь с белками, приводящая к образованию мукопротеидов. С помощью пузырьков Гольджи готовые секреты выводятся за пределы клетки. Аппарат Гольджи образует гликопротеин (муцин), представляющий важную составную часть слизи; участвует в секреции воска, растительного клея. Иногда аппарат Гольджи принимает участие в транспорте липидов. В аппарате Гольджи происходит укрупнение белковых молекул. Он участвует в построении плазматической мембраны и мембран вакуолей. В нем формируются лизосомы.

Патология АГ

Морфологические проявления нарушений секреторной функции аппарата Гольджи выражаются или в виде гиперплазии, то есть увеличения площади его мембран и количества секреторных гранул, либо в виде атрофии, что сопровождается редукцией вакуолей и потерей секреторных гранул. Гиперплазия аппарата Гольджи обычно сочетается с гиперплазией эндоплазматического ретикулума. Если синтез тех или иных веществ опережает их секрецию и выведение, то эти вещества накапливаются в аппарате Гольджи и могут его повреждать. Например, накопление желчи в гепатоцитах при холестазе. Атрофия аппарата Гольджи свидетельствует о снижении его функциональной активности. Одной из причин такого снижения может быть белковое голодание, а также нарушение взаимодействия АГ с ЭПР.

Лизосомы (от греч. лизис – разрушение, расщепление, сома – тело) – пузырьки больших или меньших размеров (обычно 0,4-0,5 мкм), заполненные гидролитическими ферментами (протеазами, нуклеазами, липазами и другими). Лизосомы в клетках не представляют собой самостоятельных структур. Они образуются за счет активности эндоплазматической сети и аппарата Гольджи и напоминают секреторные вакуоли. Основная функция лизосом — внутриклеточное расщепление и переваривание веществ, поступивших в клетку или находящихся в ней, и удаление из клетки.

Они содержат около 40 гидролитических ферментов: протеиназы, нуклеазы, гликозидазы, фосфорилазы, фосфатазы, сульфатазы, оптимум действия которых осуществляется при рН 5. В мембраны лизосом встроены белки-переносчики для транспортировки продуктов гидролиза: мономеров расщепленных молекул — аминокислот, углеводов, липидов. Выделяют первичные и вторичные лизосомы (пищеварительные вакуоли, аутолизосомы, остаточные тельца).

Первичные лизосомы представляют собой пузырьки (100 нм), ограниченные от цитоплазмы одинарной мембраной. Ферменты, находящиеся в лизосомах, синтезируются на шероховатой эндоплазматической сети и транспортируются к аппарату Гольджи. В цистернах аппарата Гольджи вещества подвергаются дальнейшим превращениям. Пузырьки с набором ферментов, отделившиеся от цистерн аппарата Гольджи, называют первичными лизосомами. Они участвуют во внутриклеточном пищеварении и иногда секреции ферментов, выделяющихся из клетки наружу. Это происходит, например, при замене хряща костной тканью в процессе развития, при перестройке костной ткани в ответ на повреждение. Секретируя гидролитические ферменты, остеокласты (клетки-разрушители) обеспечивают разрушение минеральной основы и органического остова матрикса кости. Накапливающиеся «обломки» подвергаются внутриклеточному перевариванию. Остеобласты (клетки-строители) создают новые элементы кости. Первичные лизосомы могут сливаться с фагоцитарными и пиноцитарными вакуолями, образуя вторичные лизосомы. В них происходит переваривание веществ, поступивших в клетку путем эндоцитоза, усвоение их.

Вторичные лизосомы — внутриклеточные пищеварительные вакуоли, ферменты которых доставлены с помощью мелких первичных лизосом. Вторичные лизосомы (пищеварительные вакуоли) у простейших (амеб, инфузорий) - это способ поглощения пищи. Вторичные лизосомы могут выполнять защитную функцию, когда, например, лейкоциты (фагоциты) захватывают и переваривают попавшие в организм бактерии. Продукты переваривания поглощаются клеткой, но часть материала может остаться непереваренной. Вторичные лизосомы, содержащие нерасщепленный материал, называют остаточными тельцами или телолизосомами.

Остаточные тельца (телолизосомы) обычно через плазматическую мембрану выводятся наружу (экзоцитоз). У человека при старении организма в остаточных тельцах клеток мозга, печени и в мышечных волокнах накапливается «пигмент старения» - липофусцин.

Аутолизосомы (аутофагирующие вакуоли или аутофагосомы) присутствуют в клетках простейших, растений и животных. В этих лизосомах происходит разрушение отработанных органелл самой клетки (ЭПС, митохондрий, рибосом, гранул гликогена, включений и др.). Например, в клетках печени среднее время жизни одной митохондрии — около 10 дней. После этого срока мембраны эндоплазматической сети окружают митохондрию, образуя аутофагосому. Аутофагосомы сливаются с лизосомой, образуя аутофаголизосому, в которой происходит процесс распада митохондрии. Процесс уничтожения структур, ненужных клетке, называется аутофагией. Число аутолизосом возрастает при повреждениях клетки. В результате высвобождения содержимого лизосом в цитоплазму происходит саморазрушение клетки или аутолиз. При некоторых процессах дифференцировки аутолиз может быть нормой. Например, при исчезновении хвоста у головастика во время превращения его в лягушку. Ферменты лизосом принимают участие в аутолизе погибших клеток. В лизосомах необновляющихся клеток в результате многократного аутофагирования накапливается липофусцин — пигмент старения.

Таким образом, аутофагия представляет собой один из механизмов обновления внутриклеточных структур - внутриклеточной физиологической регенерации. Путем аугофагии устраняются органеллы, утратившие свою активность в процессе естественного их старения. Устраняются также органеллы, ставшие избыточными, если в процессе нормальной жизнедеятельности снижается интенсивность физиологических процессов в клетке. Аутофагия — один из способов регуляции функциональной активности и — один из механизмов реализации биологических ритмов на клеточном уровне. Лизосомы обеспечивают сохранность биологического равновесия, при многочисленных процессах — воспалении, иммунной защите, нарушении коагуляциикрови и др. Таким образом, лизосомы относятся к внутриклеточной литической, или «переваривающей» системе.

В некоторых случаях непереваренные остатки накапливаются в лизосомах, что приводит к их перегрузке. Выделение непереваренных остатков путем экзоцитоза и их накопление во внеклеточной среде, может вызвать повреждение внеклеточных структур. Поэтому этот механизм реализуется редко. Наиболее часто встречаются три типа пищеварительных расстройств клетки: внутриклеточный выброс, внеклеточный выброс и перегрузка.

Патология лизосом

Известно более 25 генетических заболеваний, связанных с патологией лизосом. Например, в лизосомах может происходить накопление гликогена, если отсутствует соответствующий фермент.

К патологии лизосом относится повреждение лизосомальных мембран. Дестабилизация лизосомальных мембран в виде трещин и разрывов может наблюдаться при воздействии различных агрессивных факторов:ионизирующей радиации, шоке, отравлении тетрахлористым углеродом, воздействии кремнием, недостатке витаминов и гипервитаминозе витамина А, воздействии бактериальных эндотоксинов и т.д. В этих случаях гидролазы диффундируют в клетку, что ведет её к прогрессивному разрушению.

Другой аномалией является недостаток лизосомальных энзимов. В лизосомах могут отсутствовать некоторые энзимы, необходимые для нормального метаболизма клеток. Энзимопатия или дисметаболическая болезнь имеет врожденный характер и передается по наследству по аутосомно-рецессивному типу. Существует ряд врожденных заболеваний, которые называются лизосомными «болезнями накопления». Их отличительным признаком является то, что под микроскопом в клетках наблюдается множество вакуолей. Дефицит энзимов наблюдается наиболее часто при гликогенозах. Например: болезнь Помпе, в основе развития которой лежит дефицит фермента альфа-глюкозидазы, что приводит к нарушениям со стороны сердечно-сосудистой системы, мышечной гипотонии, расстройству дыхания, цианозу. Такие дети гибнут на первом году жизни. Гистологически в лизосомах выявляется большое количество гликогена. Тип наследования - аутосомно-рецессивный. Другим примером является болезнь Гирке. В основе лежит дефицит фермента глюкозо-6-фосфатаза. У больных развиваются судороги, наблюдается отставание в росте, диспропорции частей тела(большая голова, короткие шея и ноги, задержка пубертатного периода).

Пероксисомы – мельчайшие пузырьки (0,3-1,5 мкм), содержащие набор ферментов (оксидазы, уратоксидаза). У высших позвоночных животных находятся главным образом в печени и почках. В клетке часто локализуются вблизи мембран ЭПР. Свое название органеллы получили от пероксида водорода, промежуточного продукта в цепи биохимических реакций, идущих в клетке. Ферменты пероксисомы, и прежде всего каталаза (в пероксисомах печени 40 % ее), нейтрализуют токсичную перекись водорода (Н₂О₂), вызывая ее распад с выделением воды и кислорода. Пероксисомы участвуют в обменных реакциях: в метаболизме липидов, холестерина.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: