ГЛАДКИЙ РЕТИКУЛУМ ТА ІНШІ МЕМБРАННІ вакуолі
Гладкий (гладкий) ендоплазматичнийретикулум
Гладкий ЕПР є частиною мембранної вакуолярної системи. У морфологічному відношенні він також представлений мембранами, що утворять дрібні вакуолі і трубки, канальці, які можуть гілкуватися, зливатися один з одним. На відміну від шорсткого на мембранах гладкого ЕПР немає рибосом (рис. 190). Діаметр вакуолей і канальців гладкого ЕПР зазвичай близько 50-100 нм. Виразність мережі з цих мембранних елементів може бути неоднаковою як для різних клітин, так і всередині однієї клітини. Здебільшого такі гладкі канальці утворюють скупчення, або зони. Так, в клітинах епітелію кишечника гладкий ЕПР локалізується головним чином в апікальній, верхній частині клітини, поблизу всмоктуючої поверхні. У клітинах печінки зони гладкого ЕПР часто пов'язані з місцями відкладення глікогену. Зустрічаються клітини, де гладкий ЕПР займає більшу частину обсягу цитоплазми (наприклад, в інтерстиціальних клітинах насінники, в рослинних залізистих терпеноідогенних клітинах).
Мал. 190. Зона гладкого ретикулума в інтерстиціальних клітинах надниркової
Неодноразово була встановлена безперервність переходу між гладкою формою ЕПР і гранулярной його формою. Часто можна спостерігати, як цистерна гранулярного ЕП Р втрачає на своїй поверхні рибосоми і стає «гладкою» (рис. 191). При цьому така ділянка цистерни робиться нерівним, починає як би галузитися, переходячи в трубочки і канальці гладкого ЕПР. Ця ділянка часто називають перехідним через те, що саме тут утворюються і відокремлюються транспортні пухирці, що переносять новосинтезовані білки і ліпіди до зони апарату Гольджі. Гладкий ЕПР є вторинним по відношенню до гранулярності ЕПР, тобто відбувається з останнього. Так, у щурика перед народженням в печінкових клітинах утворюється велика кількість гранулярного ЕПР, але відразу після народження з'являється маса трубочок гладкого ЕПР. Ряд біохімічних, морфологічних і радіоавтографіческіх даних приводить до висновку, що гранулярний ЕПР збільшується в об'ємі, зростає за рахунок синтезуються мембран, які залишаються в його складі, або, втративши рибосоми, перетворюється в гладкий ЕПР. Наприклад, при використанні радіоактивних попередників мембранних компонентів і при отриманні окремих фракцій гладкого і гранулярного ЕПР було виявлено, що при інтенсивному розростанні гладкого ЕПР мітка спочатку з'являється в гранулярному ЕПР і тільки через деякий час - в гладкому ЕПР.
Мал. 191. Перехід шорсткогоЕПР в гладкий в печінковій клітині
Незважаючи на топографічну зв'язок і спільність походження, ці два представника ЕПР різко відрізняються один від одного в функціональному відношенні. Як уже зазначалося, відсутність рибосом на гладкому ЕПР прямо говорить про його непричетність до синтезу білків. Діяльність гладкого ЕПР швидше можна пов'язати з метаболізмом ліпідів і деяких внутрішньоклітинних полісахаридів.
Участь гладкого ЕПР в синтезі тригліцеридів і ліпідів було показано при вивченні процесів всмоктування жирів клітинами кишкового епітелію. У просвіті кишечника жири розпадаються до жирних кислот і моногліцеридів. У апікальних ділянках клітин кишечника видно при цьому накопичення осміофільние гранул усередині присвятив канальців гладкого ЕПР. Це пов'язано з ресинтезом нових тригліцеридів з надійшли в клітку попередників з утворенням ліпідів і ліпопротеїдів, які за допомогою вакуолей апарату Гольджі виводяться з клітин і потрапляють в лімфатичне русло.
Дрібні краплі ліпідів іноді в комплексі з білками можна спостерігати і в клітинах печінки, причому ці краплі зустрічаються в порожнинах гладкого ЕПР близько зони апарату Гольджі. Якщо щурам давати речовини, що призводять до утворення відкладень великих крапель жиру (жирова дистрофія), то перші дрібні ліпідні крапельки з'являються в гладкому ЕПР, але іноді і в порожнинах гранулярного ЕПР.
Гладкий ЕПР особливо в великому обсязі зустрічається в клітинах, які секретують стероїди, зокрема в клітинах коркового речовини наднирника. Основні ферменти синтезу стероїдів були виявлені у фракціях мікросом, що утворилися при руйнуванні гладкого ЕПР з цих клітин. Гладким ретикулумом багаті інтерстиціальні клітини сім'яників, які беруть участь в синтезі стероїдних гормонів, а також клітини сальних залоз на самому початку накопичення жиру.
Тісний топографічна зв'язок гладкого ЕПР з відкладеннями глікогену (запасного внутрішньоклітинного полісахариду тварин і грибів) в гіалоплазме різних клітин говорить про його участь в метаболізмі вуглеводів. У клітинах печінки, в м'язових волокнах глікоген відкладається в зонах, вільних від гранулярних цистерн ЕПР, але багатих бульбашками і канальцами гладкого ЕПР. Такі зони гладкого ЕПР можуть збільшуватися в розмірі як при зникненні глікогену (наприклад, при голодуванні), так і при збільшенні його відкладень (рис. 192 і 193).
Мал. 192. Відкладення глікогену (Г) в зоні гладкого ЕПР (ЕПР) гепатоцита
Мал. 193. Зона дрібних вакуолей гладкого ЕПР і гранули глікогену в клітці печінки миші
В - вакуолі; Г - глікоген; М - мітохондрії
У поперечно-смугастих м'язах вакуолі і канали гладкого ЕПР (саркоплазматический ретикулум) оточують кожну міофібрил (рис. 194). Тут ЕПР виконує спеціальну функцію депонування іонів кальцію. У присутності АТФ він може активно поглинати і накопичувати іони кальцію, що призводить до розслаблення м'язового волокна. Білки кальцієвого насоса є інтегральними білками мембран саркоплазматичного ретикулума.
Мал. 194. Гладкий ендоплазматичнийретикулум (саркоплазматический) в скелетних м'язах (по: Fawselt. McNutt. 1969)
Ф - міофібрили; М - мітохондрії; ПМ - плазматична мембрана; Т - трабекулярмие мембрани; СР - саркоплазматический ретикулум; Z - Z-смужка
Серед вищих рослин гладкий ретикулум зустрічається в клітинах тканин, що беруть участь в синтезі і транспорті терпенів, стероїдів і ліпідів.
Вакуолі рослинних клітин
Клітини як нижчих, так і вищих рослинних організмів містять в цитоплазмі вакуолі, що несуть ряд важливих фізіологічних навантажень (рис. 195). У молодих клітин може бути кілька дрібних вакуолей, які в міру зростання і диференціювання клітини зливаються один з одним і утворюють одну або кілька великих вакуолей, що займають до 90% обсягу всієї клітки. Ці центральні вакуолі відокремлені від цитоплазми одинарною мембраною, схожою по товщині з плазмалеммой. Мембрана, що обмежує центральні вакуолі, носить назву тонопласта. Центральні вакуолі утворюються з дрібних бульбашок, відщепилися від апарату Гольджі. Такі первинні вакуолі збільшуються в об'ємі, зливаються один з одним і в кінці кінців утворюють одну або кілька великих вакуолей, відтісняють цитоплазму з ядром і органоидами до периферії клітини. Порожнина вакуолі заповнена так званим клітинним соком, що представляє собою водний розчин, в який входять різні неорганічні солі, цукру, органічні кислоти і їх солі та інші низькомолекулярні з'єднання, а також деякі високомолекулярні речовини (наприклад, білки).
Мал. 195. Центральні вакуолі (ЦВ) у клітці меристеми кореня (а) і в мезофіли листа (б)
Я - ядро; В - вакуолі; ХП - хлоропласти
Центральні вакуолі рослин виконують різноманітні і важливі функції. Однією з головних їх функцій є підтримка тургорного тиску клітин. Розчинені в соку вакуолей молекули визначають його осмотичну концентрацію. Відповідна молекулярна концентрація соку вакуолей і напівпроникні властивості як її мембрани (тонопласта), так і плазмалемми сприяють тому, що вакуолі функціонують як осмометрі і надають клітині необхідну міцність і тургісцентность (напруженість).
Інша функція визначається тим, що вакуоль являє собою велику порожнину, відокремлену від метаболізуються гіалоплазми мембраною (тонопластом), що володіє властивостями напівпроникності. Через неї, як і черезплазматичну мембрану, може йти активний транспорт різних молекул. У тонопластом виявлений АТФ-залежний Н + -насос, спрямований всередину вакуолей і бере участь в транспорті цукрів. Тому вакуолі можуть використовуватися клітинами в якості накопичувальних резервуарів, де не тільки відкладаються запасні речовини, але і збираються метаболіти, призначені для екскреції. Так виводяться (секретируются) з клітки все водорозчинні метаболіти. Нерозчинні у воді органічні компоненти можуть перетворюватися в розчинні глюкозиди, з'єднуючись з молекулами цукрів. Перелік екскретіруемих в вакуолі метаболітів дуже великий. Це різні алкалоїди (наприклад, нікотин, кофеїн) і поліфеноли. У вакуолях відбувається відкладення багатьох глюкозидів, до яких відносяться різні пігменти, наприклад антоціани.
З неорганічних речовин в вакуолярном соку накопичуються фосфати калію, натрію, кальцію, можуть запасатися солі органічних кислот (оксалати, цитрати і ін.). Це надає вакуолярного соку виразну кислу реакцію (рН від 2 до 5). Таким чином, можна вважати, що тонопласт бере участь в процесах екскреції.
Інший великий ряд функцій вакуолей пов'язаний з накопиченням запасних речовин, таких як цукру і білки. Сахара в вакуолях містяться у вигляді розчинів, зустрічаються і резервні полісахариди типу інуліну. У вакуолях відкладаються запасні білки, що характерно для насіння. Надходження білків у вакуолі, найімовірніше, пов'язане зі здатністю вакуолей ЕПР і АГ зливатися з тонопластом. Запасание білків насіння злакових відбувається в так званих алейронових вакуолях, які заповнюються альбумінами і глобулінами, після чого вакуолі обезвоживаются, перетворюючись в тверді алейроновие зерна. При проростанні насіння ці зерна обводнять і знову перетворюються в вакуолі. У таких новостворених вакуолях виявляється активність деяких ферментів: кислої фосфатази, α-амілази, глюкозидази, прогеінази і РНКази. Отже, алейроновие вакуолі частково нагадують лізосоми, де відбувається перетравлювання запасних білків при проростанні насіння.
Гідролітичні ферменти були виявлені не тільки в алейронових вакуолях, але в дрібних і великих центральних вакуолях. Спостерігалася неодноразово інвагінація (впячивание) тонопласта всередину вакуолей, при цьому частина «втягнутого» матеріалу виявлялася в порожнині вакуолі і там деградувала. Можливо, так виконується аутофагіческая функція вакуолей, що беруть участь в гідролізі дефектних клітинних компонентів. Лізосомними властивостями володіють вакуолі дріжджів. Виявлено, що стінки вакуолей дріжджів теж можуть утворювати впячивания всередину, потім вони отщепляются від тонопласта і розчиняються всередині вакуолі.
Це мембранні пухирці, що зустрічаються в клітинах рослин. Вони фарбуються липофильними барвниками, мають високий коефіцієнт заломлення і тому добре видно під світловим мікроскопом. Сферосоми утворюються з елементів ЕПР. На кінці цистерни ЕПР починає накопичуватися осміофільние матеріал, потім від цієї ділянки отшнуровивается і починає рости невеликий пухирець, що досягає діаметра 0,1-0,5 мкм. Це «просферосома», оточена одинарної мембраною. Зростання Сферос і перебудова їх вмісту пов'язані з накопиченням в них масла, так що сферосома поступово перетворюється в масляну краплю. Відкладення ліпідів починається між осміофільние шарами мембрани. Крім жирів у складі Сферос виявляють білки і серед них фермент ліпазу, що розщеплює ліпіди.
Це невеликі вакуолі (0,3-1,5 мкм), одягнені одинарної мембраною, що відмежовує гранулярний матрикс, в центрі якого розташовується серцевина, або нуклеоїд (нічого не має спільного з нуклеоїдом бактерій і взагалі до ядерних структурам не належить).
У зоні серцевини часто, особливо в пероксисомах печінкових клітин, видно кристалоподібні структури, що складаються з регулярно упакованих фібрил, або трубочок. Ізольовані серцевини пероксисом містять фермент уратоксідазиі (рис. 196).
Мал. 196. Будова пероксисом в клітинах печінки (а) і листа тютюну (б)
Пероксисоми виявлені у найпростіших (амеби, тетрахімени), у нижчих грибів (дріжджі), у вищих рослин в деяких ембріональних тканинах (ендосперм) і в зелених частинах, здатних до фотореспіраціі. У вищих хребетних тварин вони знайдені головним чином в печінці та нирках. У печінці щурів на клітку число пероксисом коливається від 70 до 100.
Пероксисоми часто локалізуються поблизу мембран ЕПР. У зелених рослин пероксисоми часто знаходяться в тісному контакті з мітохондріями і пластидами.
Вперше пероксисоми були виділені з печінки і нирок. У фракціях пероксисом виявляються ферменти, пов'язані з метаболізмом перекису водню. Це ферменти (оксидази, уратоксідазиі, оксидаза D-амінокислот) окисного дезамінування амінокислот, при роботі яких утворюється перекис водню (Н2 О2) і каталаза, що руйнує її. У пероксисомах печінки каталаза становить до 40% всіх білків і локалізована в матриксі. Так як Н2 О2 є токсичною речовиною для клітин, то каталаза пероксисом може відігравати важливу захисну роль. Пероксисоми в клітинах курчат і жаб крім уратоксідазиі містять ряд ферментів катаболізму пуринів.
У тварин і деяких рослин (проростки рицини) пероксисоми грають важливу роль при перетворенні жирів в вуглеводи. Так, в клітинах ендосперму рицина в пероксисомах (Гліоксисома) містяться ферменти гліоксалатного циклу.
Пероксисоми не містять ніяких нуклеїнових кислот, і всі білки, з яких вони складаються, кодуються ядерними генами, але їх відносять до саморепродуцірующімся органел. У пероксіомах відбувається накопичення специфічних білків, які синтезуються в цитоплазмі і мають свої сигнальні ділянки. У мембрані пероксисом є рецепторний білок, який дізнається транспортуються білки. Білки мембран пероксисом, як і ліпіди, приходять з цитозолю. Таке накопичення вмісту і зростання мембрани призводять до загального зростання пероксисоми, яка потім за допомогою невідомого поки механізму ділиться на дві, тобто самореплицирующихся.
Секреція білків і утворення мембран у бактерій
В принципі зростання плазматичної мембрани і її похідних у бактерій відбувається тим же чином, що і освіту мембран у еукаріотів.
Як відомо, синтез білків у бактерій здійснюється на 70S рибосомах, які так само, як і у клітин вищих організмів, мають двояку локалізацію. Велика частина рибосом бактеріальних клітин утворює полісоми в цитоплазмі, близько 25% рибосом пов'язано з мембраною. Такі рибосоми беруть участь як в синтезі білків мембрани, так і в синтезі екскретіруемих білків. Багато бактеріальні клітини отримують поживні речовини за рахунок деградації полімерів близько бактеріальної поверхні. Для цього бактерії повинні виділяти гідролізуючі ферменти в навколишнє середовище. Це вони роблять набагато простіше, ніж еукаріотичні клітини: частина їх рибосом, локалізованих на внутрішній (цитоплазматичної) поверхні плазматичної мембрани, синтезує білки, які, подібно до секреторних білків, проходять через мембрану і опиняються поза клітини. Виділені гідролази застряють в компонентах муреіновой бактеріальної стінки і там функціонують. На інших рибосомах, пов'язаних з мембранами, йде синтез білків для побудови самої мембрани, подібно до того, що відбувається в гранулярному ЕПР еукаріотів. Так що в цьому відношенні бактерію можна уподібнити вакуолі гранулярного ЕПР, що вивернула навиворіт.
На прикладі бактерій добре вивчений шлях синтезу ліпідних компонентів мембран. Було знайдено, що синтез фосфоетіділетаноламіна відбувається за допомогою ферментів, що є інтегральними білками плазматичної мембрани, активні ділянки яких знаходяться на цитоплазматичної стороні мембрани. Синтезовані тут ліпіди вбудовуються у внутрішній ліпідний шар. Виявилося, що новосинтезовані ліпіди досить швидко виявляються і в зовнішньому шарі мембрани за рахунок роботи переносників - фліппаз.