Предмет цитологии. Историческое развитие цитологии

АЛД – адренолейкодистрофия; АМН – адреномиелонейропатия; СоА – кофермент A; DHAPAT – дигидрокси-ацетонфосфатацилтрансфераза; ЖКОДЦ – жирные кислоты с очень длинными боковыми цепями; + – наруше­ния; – норма.

Некоторые наследственные заболевания связаны с нарушением функции пероксисом. Например, синдром Цельвегера (СЦ) обусловлен почти пол­ной потерей пероксисомной функции и классифи­цируется как заболевание I группы, наиболее тя­желой в этом типе наследственных патологий. При синдроме Цельвегера в пероксисоме отсутствует большое число важных ферментов. Пациенты с заболеваниями I группы умирают в детском воз­расте. Ко II группе относятся менее тяжелые перок­сисомные заболевания, например цельвегероподобные синдромы, для которых характерно большее со­держание пероксисомных ферментов. Заболевания III группы, например адренолейкодистрофия, ха­рактеризуются нарушением функционирования одного пероксисомного фермента. Это наименее тяжелая форма пероксисомных заболеваний.

Термин “митохондрия” был введен Бенда в 1897 г. для обозначения зернистых и нитчатых структур в цитоплазме разных клеток. Митохондрии можно наблюдать в живых клетках, так как они обладают достаточно высокой плотностью. В живых клетках митохондрии могут перемещаться, сливаться друг с другом, делиться.

Форма и размеры митохондрий животных клеток разнообразны, но в среднем толщина их около 0,5 мкм, а длина – от 1 до 10 мкм. Подсчеты показывают, что количество их в клетках сильно варьирует – от единичных элементов до сотен. Так, в клетке печени они составляют более 20% общего объема цитоплазмы и содержат около 30-35% общего количества белка в клетке. Площадь поверхности всех митохондрий печеночной клетки в 4-5 раз больше поверхности ее плазматической мембраны.

Обычно митохондрии скапливаются вблизи тех участков цитоплазмы, где возникает потребность в АТФ. Так, в сердечной мышце митохондрии находятся вблизи миофибрилл. В сперматозоидах митохондрии образуют спиральный футляр вокруг оси жгутика и т.д. Митохондрии в клетках могут увеличиваться в размерах и числе. В последнем случае происходит деление перетяжкой или фрагментация (почкование) исходных крупных митохондрий на более мелкие, которые в свою очередь могут расти и снова делиться.

Митохондрии ограничены двумя мембранами толщиной около 7 нм. Наружная митохондриальная мембрана отделяет их от гиалоплазмы. Обычно она имеет ровные контуры и замкнута, так что представляет собой мембранный мешок. Внешнюю мембрану от внутренней отделяет межмембранное пространство шириной около 10-20 нм. Наружная мембрана содержит значитель­ное количество белка, порина. Этот белок форми­рует поры с диаметром, позволяющим молекулам размером до 5000 дальтон свободно проходить в первую полость. Таким образом, ионы, аминокис­лоты, сахара и другие цитозольные компоненты беспрепятственно проходят в первое, межмем­бранное пространство. Группа ферментов, локали­зованная в этом пространстве, фосфорилирует иуклеотиды и сахара нуклеотидов.

В мембранах крист митохондрии располагаются системы дальнейшего переноса электронов и сопряженного с ним фосфорилирования АДФ (окислительное фосфорилирование). При этом происходит перенос электронов от одного белка-акцептора электронов к другому и, наконец, связывание их с кислородом, вследствие чего образуется вода. Одновременно с этим часть энергии, выделяемой при таком окислении в цепи переноса электронов, запасается в виде макроэргической связи при фосфорилировании АДФ, что приводит к образованию большого числа молекул АТФ – основного внутриклеточного энергетического эквивалента. Именно на мембранах крист митохондрии происходит процесс окислительного фосфорилирования с помощью здесь расположенных белков цепи окисления и ферментов фосфорилирования АДФ, АТФ-синтетазы.

Основной функцией митохондрий является синтез АТФ, происходящий в результате процессов окисления органических субстратов и фосфорилирования АДФ. Начальные этапы этих сложных процессов совершаются в гиалоплазме. Здесь происходит первичное окисление субстратов (например, сахаров) до пировиноградной кислоты (пирувата) с одновременным синтезом небольшого количества АТФ. Эти процессы совершаются в отсутствие кислорода (анаэробное окисление, гликолиз). Все последующие этапы выработки энергии (дыхания) – аэробное окисление и синтез основной массы АТФ – осуществляются с потреблением кислорода и локализуются внутри митохондрий. При этом происходит дальнейшее окисление пирувата и других субстратов энергетического обмена с выделением СО₂ и переносом протонов на их акцепторы. Эти реакции осуществляются с помощью ряда ферментов так называемого цикла трикарбоновых кислот, которые локализованы в матриксе митохондрии.

Выявлено, что в матриксе митохондрии локализуется автономная система митохондриального белкового синтеза. Она представлена молекулами ДНК, свободными от гистонов, что сближает их с ДНК бактериальных клеток. На этих ДНК происходит синтез молекул РНК разных типов: информационных, трансферных (транспортных) и рибосомных. В матриксе митохондрий наблюдается образование рибосом, отличных от рибосом цитоплазмы. Эти рибосомы участвуют в синтезе ряда митохондриальных белков, не кодируемых ядром. Однако такая система белкового синтеза не обеспечивает всех функций митохондрий, поэтому автономию митохондрий можно считать ограниченной, относительной. Малые размеры молекул митохондриальных ДНК не могут определить синтез всех белков митохондрий. Показано, что большинство белков митохондрий находится под генетическим контролем со стороны клеточного ядра и синтезируется в цитоплазме. Наиболее вероятно, что митохондриальная ДНК кодирует лишь немногие митохондриальные белки, которые локализованы в мембранах и представляют собой структурные белки, ответственные за правильную интеграцию в митохондриальных мембранах отдельных функциональных белковых комплексов.

Свойства митохондриальной ДНК:

• 
  небольшая и содержит около 16,5 кб, то есть приблизительно в 10⁵ раз меньше, чем ДНК, локализованная в ядре;
  
• 
  кольцевая и кодирует 2 рибосомные РНК, 22 транспортных РНК (тРНК) и 13 белков.
  

Эта органелла обладает функционирующими ри­босомами, которые синтезируют белки, используе­мые в органелле и кодируемые митохондриальной ДНК. Количество транслируемого с митохондри­альной мРНК белка ограничено и формирует субъ­единицы более крупных ферментных комплексов. Митохондрии могут принимать различную форму. Обычно митохондрия делится, по крайней мере, один раз в течение клеточного цикла после репли­кации ее ДНК, которая происходит во время интер­фазы. Эта репликация не связана с S-фазой клетки. Деление митохондрии происходит посредством пе­ретяжки на две, которая начинается с образования кольцевой бороздки на внутренней митохондриальной мембране.

Процесс импорта ферментов очень сложен и включает несколько этапов, описанных ниже. Предполагается, что митохондрии – результат эво­люции организмов, которые внедрились в прими­тивную прокариотическую клетку и сформировали симбиотические отношения с хозяином. Основные признаки митохондрий перечислены в таблице 3-3.

Митохондрии служат метаболическим центром клетки; эти органеллы – место синтеза АТФ, про­цесса, требующего участия многочисленных фер­ментов, большинство из которых поступает из цитозоля (рис. 3-8). Почти все белки, предназначен­ные для транспорта в митохондрии, синтезируются па полирибосомах, локализованных в цитозоле.

Белки, предназначенные для транспорта в мито­хондрии, имеют сигнальный пептид, локализован­ный на N-конце. Сигнальные пептиды варьируют в размере от 12 до 80 остатков. Этот участок белка также формирует амфифильный завиток: заря­женные остатки сгруппированы на одной стороне альфа-спирали, а неполярпые остатки локализова­ны па другой стороне. Амфифильиый завиток со­единяется с участком связывания митохондриального распознающего рецептора, локализованного на наружной мембране.

Процесс транспорта достаточно сложен и вклю­чает несколько элементов (табл. 3-4).

Вновь синтезированные белки, предназначен­ные для митохондрий, при подготовке к импорту связываются с другим классом цитозольиых бел­ков. Существует несколько типов этих белков, на­зываемых шаперонами. Они обнаруживаются поч­ти во всех клеточных органеллах и в цитоплазме. Кроме других функций, шапероны обеспечивают правильное сворачивание (фолдинг) и оконча­тельную конформацию других белков, и поэтому необходимы для здоровья клетки и организма.

Шапероны найдены во всех организмах – от бактерий до млекопитающих. В некоторых случаях эти белки имеют другое название. Одно из се­мейств шаперонов называется белками теплового шока (hsp) (рис. 3-9). Их обнаружили случайно: исследователи открыли, что определенные белки синтезируются в клетках плодовой мушки при уве­личении температуры всего па несколько градусов. Белки теплового шока имеют большую внутриви­довую устойчивость и интенсивно экспрессируются во всех клетках даже в нормальных для роста условиях. Их транскрипция и трансляция значи­тельно возрастают при чрезвычайных условиях внешней среды. Предполагают, что шапероны не­обходимы для правильного сворачивания белков в условиях теплового стресса.

Укладка полипептидной цепи: шапероны hsp60 и hsp70

Белки семейств hsp60 (также известного как GroEL) и hsp70 (или DnaK) участвуют в сворачивании, переносе и формировании более вы­сокой структурной организации белка.

Во внутреннем митохондриальном пространстве hsp60 и hsp70 связываются с развернутым белком и помогают формированию точной конформационной организации. Этот этап укладки является энергозависимым и требует расщепления АТФ.

Наконец, семейство шаперонов hsp90 принима­ет участие в регуляции активности некоторых фак­торов транскрипции и различных белковых киназ. При относительно низкой концентрации белка он легко сворачивается должным образом из-за малой вероятности взаимодействия реактивных групп белка с активными группами других белков. Одна­ко при большой концентрации белка вероятность того, что он сложится должным образом, значи­тельно снижается. Обычно концентрация белка в органеллах эукариотических клеток высока.

Как утверждалось ранее, шапероны находятся почти во всех органеллах и в цитоплазме. Белки-шапероны действуют в основном путем связыва­ния с активной поверхностью полипептидов, напри­мер, с гидрофильной поверхностью. Таким образом, шапероны блокируют эти активные поверхности и эффективно предотвращают агрегацию, облегчая правильную укладку полипептидной цепи.

Шапероны не связываются со своим полипептид­ным субстратом ковалентно. Часто белки должны быть импортированы в несложенном виде и затем вновь уложены после своего прохождения через мембрану органеллы, что также осуществляется частично благодаря шаперонам.

Например, белки теплового шока связываются с растущим полипептидом как только он освобожда­ется от рибосомы. Эти шапероны удерживают рож­дающуюся молекулу в конформации, предотвра­щающей преждевременную случайную укладку и способствующей переносу полипептида в митохондриальное пространство. Транспорт белков в митохондрии и высвобождение упакованного белка – АТР-зависимые процессы (табл. 3-5 и 3-6).