Базовая анатомия клетки

Добрый день, уважаемые читатели! Сегодня мы продолжим изучать строение органелл клетки. Как вы, наверное, помните из прошлой статьи, мы разбираем строение эукариотической (с ядром) животной клетки.

Прокариоты (без ядра) – это крайне интересные ребята, и я думаю что создам гайд и по ним, но сегодня мы разбираем именно эукариотическую животную клетку.

Небольшой дисклеймер: это руководство не предназначено чтобы на 100% заменить ваши учебники и лекции по биологии. Цель этой статьи – создать базу знаний о клетке, с которой мой читатель будет себя уверенно чувствовать на школьных уроках или университетских лекциях. Я стараюсь избегать деталей, но не упускать базовых вещей.

В первой части моего гайда мы немного поговорили о клетках, о том, какие они бывают и из чего в целом состоят. Мы разобрали три важнейшие органеллы клетки:

Клеточную мембрану;
Ядро (+ядрышко);
Цитоплазму.

Обязательно прочитайте первую часть, чтобы получить цельную картину анатомии клетки.

А мы продолжаем, следующая органелла – рибосома.

Рибосомы и РНК

Рибосомы – это органеллы клетки, в которых производятся белки. Я имею в виду самые разнообразные белки, начиная от белков-ферментов, которые регулируют деятельность клеточных органелл, заканчивая белками, которые действуют очень далеко от клетки – например, пептидные гормоны или антитела. Вообще все белки клетки создаются в рибосомах.

Рибосома является одной из немногих органелл, которые имеются как в прокариотических клетках, так и в эукариотических. Это неудивительно – белки нужно синтезировать всем. Однако, рибосомы у прокариот и эукариот располагаются немного по-разному:

В прокариотических клетках рибосомы свободно перемещаются в цитоплазме;
В эукариотических клетках некоторые рибосомы также располагаются в цитоплазме, а некоторые – жестко закреплены на другой органелле – эндоплазматической сети. Я разберу её сразу после рибосомы.

А на нашей основной иллюстрации я добавлю пока что только те рибосомы, которые не фиксированы на эндоплазматической сети, а свободно перемещаются в цитоплазме.

Суперважный момент: рибосомы создаются в органелле, которая называется ядрышко, я рассказывал про него в первом гайде. На нашем основном рисунке оно имеет вид тёмно-синего шарика внутри ядра.

Рибосомы состоят из двух частей, называемых субъединицами. Из-за явных отличий в размерах, их часто обозначают как большая и малая субъединицы. Это отличная схема из учебника “Анатомия и физиология” Тортора и Дерриксона:

Ядрышко синтезирует отдельно большую и малую субъединицы. Они проходят сквозь ядерные поры также отдельно, собираясь в целую рибосому лишь в цитоплазме.

Обратите внимание: рибосома не относится к мембранным органеллам. Никакой мембраны и никаких билипидных слоёв у рибосомы нет.

Посмотрите на эту схему. Здесь много пока что не совсем понятных событий. Однако, кое-что мы можем проанализовароть уже сейчас:

Цифра 8 – сборка малой субъединицы рибосомы, цифра 9 -сборка большой субъединицы. И то и то происходит в ядрышке;
10 – перемещение малой и большой частиц за пределы ядра, в цитоплазму;
11 – сборка цельной рибосомы из малой и большой субъединицы.

Если мы говорим о цельной, готовой рибосоме – химически она состоит из двух веществ: рибонуклеиновой кислоты и белка. Однако, рибонуклеивновая кислота – это не только составная часть РНК. Давайте познакомимся с ней.

РНК – связующее звено

Итак, мы уже знаем, что белки и вообще всё, что производится в клетке, производится не случайно, а строго на основе кода ДНК. Именно код ДНК определяет, какие вещества, в какой последовательности и как часто создаются в клетке. Если речь идёт о белках, то они создаются в рибосомах, а сама ДНК находится в ядре – защищённом и изолированном компартмете. Здесь чего-то не хватает, не так ли?

Конечно! Необходимо вещество, которое бы связывало ДНК (оно в ядре) и рибосомы (за пределами ядра). Таким веществом является РНК – рибонуклеиновая кислота. РНК сходна по строению с ДНК, с небольшими, но принципиальными отличиями. РНК является такой же уникальной для каждого организма, как и ДНК, потому что она создаётся в ядре в строгом соответствии с ДНК (не забываем, что ДНК кодирует и задаёт “чертежи” для всех клеточных органелл и веществ).

Вот какое место РНК занимает в синтезе белка:

ДНК располагается в ядре;
На основе ДНК синтезируется РНК – тоже в ядре. Синтез РНК на основе ДНК называется транскрипцией;
РНК, созданная на основе ДНК, проходит сквозь ядерные поры из ядра в цитоплазму;
РНК достигает рибосом. В рибосомах на основе РНК синтезируется белок. Синтез белка на основе РНК называется трансляцией.

На этой иллюстрации изображено то, что мы только что обсудили – синим цветом обозначена ДНК (на английском – DNA), розовым (в ядре) – РНК, а в нижней части рисунка располагается рибосома, которая синтезирует белок в виде оранжевой полипептидной цепочки. Далее мы узнаем, почему рядом со словом “RNA”, то есть, “РНК”, находится буква “m” и что она означает.

Как вы знаете, вся РНК создаётся в ядре в строгом соответствии с ДНК. Но, в соответствии с выполняемыми функциями, современная молекулярная биология классифицирует три типа РНК:

Матричная РНК (иногда её называют информационной РНК, сокращённо – “мРНК” или “иРНК”) – именно она принимает информацию от ДНК и проникает через ядро в цитоплазму, чтобы донести генетический код до рибосом;
Транспортная РНК (сокращённо – тРНК). Эта РНК осуществляет непосредственный перенос необходимых аминокислот из цитоплазмы в рибосому, чтобы из этих аминокислот составить нужный в соответствии с генетическим кодом белок;
Рибосома РНК (рРНК) – эта РНК, наряду с белками, входит в состав рибосом.

Я сделал схему, на которой написал все виды РНК для лучшего запоминания:

Вернёмся к картинке с множеством цифр:

Справа в углу мы видим, как на основании ДНК создаётся РНК двух видов – матричная (цифра 1) и рибосомная (цифра 6). Создание рибосомной РНК также отмечено цифрой 5. То есть, мы видим трансляцию. Красный, зелёный синий овальчики – это суперважные ферменты для трансляции – РНК полимераза-1 и РНК-полимераза-2 и РНК- полимераза-3;
Цифра 2 – выход матричной РНК за пределы ядра, в цитоплазму. Посмотрите на детали – художники явно знают цитологию. Мембрана ядра изображены в виде пары билипидных слоёв, причём окрашенных разными цветами. Ядерные поры также изображены весьма точно ;
Цифра 10 – выход в цитоплазму двух разных субъединиц рибосом;
Цифра 3 – матричная РНК контактирует с рибосомой и передаёт ей необходимую схему сбора белка.

Жалко, что на этой схеме не нашлось места транспортной РНК, которая бы тащила аминокислоты к робосоме между цифрами 3, 11 и 4.

Ещё пару слов о субъединицах – составных частях рибосом. Большая и малая субъединицы рибосомы выполняют разные функции. Малая субъединица считывает информацию с мРНК, а большая – на основании кода, заданного ещё в ДНК, присоединяет очередную составную часть (аминокислоту) к создающейся молекуле белка.

На этой иллюстрации вы можете увидеть большую (расположена наверху) и малую (снизу) субъединицы рибосомы. Хорошо заметна на рисунке последовательность аминокислот, которая выстраивается рибосомой в цельный белок. Кстати, пусть вас не смущает термин “иРНК” – так в биологии советских времён называли мРНК.

Рибосомы – мишень для лекарств

Рибосомы – универсальные машины для синтеза белка, которые существуют в любых клетках. В том числе, и в бактериальных. Бактерии тоже нуждаются в белках – белки в них, как и в эукариотических клетках, катализируют (ускоряют) жизненно важные реакции. Факторы патогенности бактерий или напрямую являются белками, или реализуются при их участии.

А если мы возьмём антибиотики из группы, например, макролидов – синтезу белка в бактериях быстро настанет конец – а затем и самим бактериям. Макролиды влияют именно на рибосомы. Небольшие отличия в строении бактериальных и человеческих рибосом позволяют антибиотикам ингибировать (замедлять) и полностью блокировать синтез белка у бактерий, не затрагивая при этом клетки человека.

Рибосомы и метаболически активные клетки

В клетках, в которых синтез белка идёт особенно интенсивно, рибосом становится количественно больше. В организме человека это особенно заметно в:

Плазмоцитах – во время синтеза антител;
Гепатоцитах – постоянно, потому синтез многих белков плазмы, например, альбуминов, происходит непрерывно;
Фибробласты – во время синтеза межклеточного вещества соединительной ткани, например, коллагена;
Во многих других метаболически активных клетках.

Посмотрите на соединительную ткань. Обратите внимание на то, как мало здесь собственно клеток, и как много межклеточного вещества в виде белковых и белково-углеводных волокон, насинтезированного рибосомами и обработанных в комплексе Гольджи – мы изучим эту органеллу совсем скоро.

Эндоплазматическая сеть

Итак, это вторая органелла в моём сегодняшнем гайде. Эндоплазматическая сеть (ЭПС) – это целая система тонких трубочек и канальцев, которая оплетает клетку. Представьте развитый футуристичный город, который пронизан автомобильными и воздушными (как из сериала “Футурама”) дорогами. По эндоплазматической сети, как по таким дорогам, перемещаются вещества, необходимые клетке или организму за её пределами. Вещества перемещаются не сами по себе, а предварительно упаковавшись в пузырьки, которые называют везикулами.

Эндоплазматическая сеть – это не единственные “дороги” в клетке, есть и другие транспортные системы. Тем не менее, транспортную роль эндоплазматический сети мы обязательно должны были рассмотреть.

Кстати, существует латинизированный вариант термина “эндоплазматическая сеть – “эндоплазматический ретикулум”, это одно и то же.

В клетке имеется два вида эндоплазматический сети – гранулированная и гладкая. Кроме транспортной функции, они заняты много ещё чем, поэтому на них стоит остановится поподробнее.

Гранулированная эндоплазматическая сеть

Прежде всего, гранулированная (её ещё называют шероховатой, ) ЭПС – это место, где фиксируются и функционируют многочисленные рибосомы. Собственно, поэтому она и называется “гранулированной” – гранулами являются рибосомы. При помощи гранулированной ЭПС только что созданные белки могут сразу отправится к пункту назначения – например, в другие органеллы, за пределы клетки, или в цитоплазму. Хотя в учебнике Ю.И. Афанасьева “Гистология, цитология и эмбриология” прямо указано, что подавляющее большинство белков, синтезируемых на рибосомах ЭПС, отправляются за пределы клетки. Например:

Альбумины, созданные в рибосомах гепатоцитов;
Коллаген, произведённый фибробластами;
Инсулин, созданный бета-клетками поджелудочной железы;
Многие другие.

Но есть ещё одна особенность гранулированной ЭПС, о которой я уже упоминал, когда описывал строение ядра и ядерной оболочки. Она заключается в том, что трубочки и мешочки, формирующие гранулированную ЭПС, являются внешним слоем кариолеммы (мембраны ядра).

Это не слишком качественная иллюстрация в плане размера и чёткости, однако здесь отлично видно, что шерховатая эндоплазматическая сеть образует второй слой оболочки ядра. В английском языке кстати она называется “rough endoplasmic reticulum” – дословно, “грубая эндоплазматическая сеть”, имея в виду текстуру. Также на этом рисунке отлично показаны ядерные поры и хроматин внутри кариоплазмы. Если забыли, что это – загляните в первую часть этого гайда.

А мы также не забываем про наш основной рисунок, на который мы шаг-за-шагом добавляем органеллы. Итак, рисуем ещё немного ветвей гранулированной эндоплазматической сети. Конечно, в реальности она оплетает всю клетку, но нужно оставить ещё место для других органелл.

Рибосомы, прикреплённые к ЭПС, и находящиеся в свободном виде в цитоплазме, не должны так сильно отличаться по размеру, как на моём рисунке, это просто я пока ещё не совсем привык к рисованию на планшете.

Вот как это выглядит на микрофотографии. Скрученные массы, заполняющие почти весь снимок слева и по центру – это шерховатая эндоплазматическая сеть. Перед нами снимок с весьма приличного электронного микроскопа, потому что на обычном световом микроскопе ЭПС неразличима.

Гладкая эндоплазматическая сеть

Гладкая эндоплазматическая сеть лишена рибосом, но при этом она также выполняет разные интересные функции. Прежде всего, это синтез липидов, фосфолипидов и гормонов стероидной природы. К таковым относятся тестостерон, эстрогены, прогестерон, кортизол и альдостерон.

Соответственно, в клетках органов, которые синтезируют стероидные гормоны, можно увидеть плотные и многочисленные разрастания гладкой эндоплазматический сети. Я имею в виду – надпочечники, тестикулы, яичники, и неизменный производитель многих липидосодержащих веществ – печень.

С печенью тесно связана ещё одна функция гладкой эндоплазматический сети – связывание и обезвреживание токсичных веществ, прежде всего – алкоголя, некоторых наркотических веществ и лекарственных препаратов.

В ученике “Анатомия и физиология” Тортора и Дерриксона приводится наглядный пример разрастания гладкой ЭПС в клетках печени у пациента, который принимает фенобарбитал (чаще всего назначается при эпилепсии). Из-за увеличения количества гладкой ЭПС, которая быстрее и эффективнее разрушает препарат, требуется увеличение дозы. Это влечёт за собой ещё более выраженное разрастание ветвей гладкой ЭПС.

Более физиологичный пример работы гладкой ЭПС – соединение свободного билирубина (он очень токсичен, нерастворим в воде и, что хуже – растворим в жирах, то есть свободно проникает через мембраны клеток) и глюкуроновой кислоты в клетках печени. После того, как гладкая ЭПС прикрутит к свободному билирубину глюкуроновую кислоту, получается связанный билирубин – малотоксичный, малорастворимый в жирах, но отлично растворимый в воде.

В случае нарушения связывания билирубина – если клетки печени массово гибнут или теряют способность обезвреживать его, мы будем наблюдать массы несвязанного, нерастворимого билирубина во внутренних органах, головном мозге, в склерах глаз и коже. Такое состояние называется желтухой, а если точнее – паренхиматозной желтухой, то есть возникшей из-за нарушения связывания билирубина в печени. Пациент слева (с красноватой-бурой кожей) из учебника пропедевтики В.Х. Василенко страдает именно паренхиматозной желтухой.

Ещё две небольших фишки:

Гладкая ЭПС депонирует кальций. Это, главным образом, играет роль в мышечных клетках (их называют миоцитами), потому что перемещения кальция внутри клетки и вовне напрямую влияет на механизм сокращения мышц;
Предположительно, гладкая ЭПС принимает участие в углеводном обмене. Я не опишу точный механизм того, как это происходит, но это связано с расщеплением углеводных запасов в клетке (как правило, в форме гликогена) и выводом их уже в виде глюкозы в кровь.

Подведём итог:

Комплекс Гольджи

Следующая органелла, которую мы рассмотрим – комплекс Гольджи (аппарат Гольджи, пластинчатый комплекс). Это единственная органелла, которая называется именем учёного. Действительно, Камилло Гольджи, гистолог из Италии и обладатель Нобелевской премии в области медицины и физиологии (1906) первый открыл и описал пластинчатый комплекс.

Итак, комплекс Гольджи – это небольшая органелла, которая выглядит как множество мешочков, плотно упакованных и спрессованных. Комплекс Гольджи немного похож на эндоплазматическую сеть по структуре, но он не оплетает всю клетку, а располагается в виде небольшого комочка с большим количеством цистерн, мешочков и складок.

Функция комплекса Гольджи – “достраивание” белков, которые насинтезировали рибосомы до финальных продуктов. Иногда организму требуются не просто белки, а белки, соединённые с чем либо – например, с углеводами. Соединения белка и углеводов называются гликопротеинами, и формировать их – это одна из главных функций комплекса Гольджи. Присоединение различных веществ к белкам называется посттрансляционной модификацией белка. Это длинное и страшное название, но суть весьма простая – к белку присоединяется какое – то другие вещество.

В Википедии есть одно сравнение, которое мне очень понравилось – там комплекс Гольджи сравнивается с почтовым отделением, которое сортирует посылки и направляет их по разным адресам. Помимо того, что происходит посттрансляционная модификация белка, здесь готовые белки (или соединения белков с чем-либо) упаковываются в частицы, называемые везикулами. В этих везикулах готовые вещества отправляются или за пределы клетки (например, как гормоны или антитела), или в цитоплазму – как многочисленные ферменты, которые катализируют реакции в цитоплазме.

Есть хорошая иллюстрация, которая встретилась мне в гугл-картинках. Если не ошибаюсь, это учебник Гайтона и Холла по физиологии. Неразобранный нами термин “гликозилирование” обозначает присоединение углеводов к другим веществам, например, к белкам, то есть частный пример посттрансляционной модификацией белка.

В комплексе Гольджи также происходит синтез не только белков, но и целых органелл – лизосом, о которых речь пойдёт ниже.

Лизосомы

Это одна из самых простых и понятных органелл, на мой взгляд. Лизосомы – это небольшие мешочки, наполненные кислотным содержимым вперемешку с очень агрессивными расщепляющими ферментами. Важно: лизосомы надёжно изолированы от остальной цитоплазмы для сохранения своей кислотности и защиты собственно цитоплазмы от кислоты и ферментов. Лизосомы имеют плотную билипидную мембрану и, без сомнения, относятся к органеллам-компартментам.

Множество крупных, насыщенных ферментами лизосом находятся в клетках, которые что-то или кого-то агрессивно атакуют – прежде всего, речь идёт о нейтрофилах и моноцитах.

Во многих учебниках по гистологии и цитологии существует разделение лизосом на первичные, вторичные и аутолизосомы. Я не знаю, насколько это актуальная классификация, у меня под рукой старенький учебник по гистологии. Но на всякий случай, я расскажу про них, чтобы вы всегда смогли сориентироваться.

Итак, лизосома – это, как правило, не что-то, что изливается наружу и поливает антиген кислотой. Для того, чтобы лизосома сработала, необходимо чтобы клетка, намеревающаяся кого-то уничтожить, сначала поглотила свою цель и окружила оболочкой. Предположим, что мишень – это бактерия. Так вот, бактерия поглощается клеткой – убийцей, и внутри неё окружается мембраной. Мембрана, в которую заключена клетка, называется фагосомой.

Далее происходит следующее: фагосома в цитоплазме соединяется с лизосомой – объединённый компартмент будет называться фаголизосомой. Лизосома до объединения с фагосомой называется первичной лиозосомой, а фаголизосома называется вторичной лизосомой.

Давайте рассмотрим всё это на схеме из википедии, которую я разметил для большего удобства цифрами. Здесь мы видим клетку -фагоцит и бактерию (красный овал) , которую клетка собирается поглотить.

Цифрой 1 обозначен антиген-распознающий рецептор – тонкий чувствительный сканер, который позволяет клетке понять, чужак ли перед ней или нет. Цифра 2 – это уже поглощённая бактерия, окружённая специальной мембраной. Сам процесс поглощения бактерии и формирования этой мембраны очень занятный, но я расскажу об этом в специальном гайде на фагоцитоз.

Цифра 3 – это лизосома. Стрелки, которые ведут от цифр 2 и 3 к цифре 4 – это процесс слияния лизосомы и фагосомы. Цифра 4 -это готовая фаголизосома. Цифра 5 – это фаголизосома, которая уже полностью переварила убиенную бактерию. Цифрой 6 показано направление отходов, которые выбрасываются из фагоцита после “обеда”.

Важная вещь, не указанная здесь: питательные вещества (например, белки), полученные из бактерии, не выбрасываются вовне, а заботливо перемещаются в цитоплазму для дальнейшего использования клеткой. Чего добру пропадать?

На этой фотографии, сделанной при помощи очень крутого электронного микроскопа – самое начало фагоцитоза. Нейтрофил (жёлтый цвет) начинает фагоцитировать Bacíllus ánthracis, бактерию – возбудителя сибирской язвы.

И ещё один термин – аутолизосомы. Аутолизосомы – это лизосомы, в которых обнаруживают части органелл собственной клетки, состарившихся и не способных выполнять свои функции. Лизосомы действительно умеют утилизировать не только чужеродные вещества и организмы, но и пришедшие в негодность части своей же клетки.

Сам процесс поглощения какого-то врага клеткой, который я описал, называется фагоцитозом. Однако, существуют особо опасные (именно этим) бактерии, которые могут быть поглощены защитными клетками организма, но при этом остаться в живых после слияния с лизосомой. Так действуют, например, микробактерии туберкулёза или возбудители лейшманиоза – простейшие, называемые лейшманиями. Само по себе явление поглощения возбудителя и дальнейшее проживание возбудителя внутри клетки с защитой от лизосомальных формантов называется незавершённым фагоцитозом.

Существуют также патологии уже самих лизосом, которые могут приводить к незавёршенному фагоцитозу – например, синдром Чедиака-Хигаси, редкое генетическое заболевание, приводящее к невозможности лизосом полноценно уничтожить поглощённый материал. В случае синдрома Чедиака-Хигаси речь идёт, в первую очередь, о патологии лизосом нейтрофилов.

Существует целая группа наследственных заболеваний, называемые болезнями накопления. Эти болезни развиваются из-за дефекта генов, которые кодируют какие-либо ферменты лизосом. Кстати, в прошлой статье про анатомию клетки вы можете подробнее узнать про гены и то как именно они кодируют белки и другие ферменты. Так вот, болезни накопления могут иметь разную клинику, в зависимости от поражённого гена и кодируемого им лизосомального фермента.

Митохондрии

Ну вот, добрались ещё до одно крайне интересной штуки. Вероятно, вы когда-то слышали фразы вроде “энергетическая станция клетки” или “энергетический комплекс клетки” – это всё про митохондрию.

Итак, митохондрии – это, несомненно, компартменты, с выраженной билипидной мембраной, в которых происходит синтез главного носителя энергии в клетке – аденозинтрифосфата, сокращённо называющимся “АТФ”. При отщеплении одной из фосфатных групп аденозинтрифосфата выделяется много энергии – если я не ошибаюсь, около 14 Ккал. Это очень приличный показатель, на самом деле.

Отщепление фосфатной группы от АТФ- это главный способ извлечения энергии в наших клетках. Схематично это происходит вот так:

Вас пугает эта схема? Здесь нет ничего страшного. Слева от нас находится та самая молекула АТФ, в которой три фосфатных группы (выглядят как кресты в самой левой части). Под воздействием воды и от этой молекулы отщепляется одна фосфатная группа (здесь она обозначена как phosphate ion) и выделяется куча энергии. В итоге мы видим аденозиндифосфат (АДФ), то есть то же вещество, только без одной фосфатной группы.

Создание этой самой АТФ и есть главная функция митохондрий – именно из-за этого митохондрии и называют энергетическими станциями клетки.

Энергия, создаваемая в митохондриях, тратится на все те процессы, которые мы с вами уже прошли:

Открытие и закрытие некоторых каналов мембраны;
Обработка сигналов с рецепторов и передача их по сигнальным путям;
Репликация ДНК;
Транскрипция РНК;
Трансляция белков;
Посттрансляционные модификации белков;
Перемещение гранул, везикул и других веществ в клетке;
Фагоцитоз;
Многие другие.

На самом деле, энергия так или иначе нужна вообще для всех процессов, которые происходят в клетке. Сейчас мы рассмотрим строение митохондрии, узнаем что же именно происходит в митохондриях, а затем я расскажу пару очень (очень!) необычных фактов про эту органеллу.

Строение митохондрии

Митохондрия – это двумемрбанная (имеются внешняя и внутренняя мембраны) органелла, которая содержит полость, наполненную жидкостью. Жидкость в полости митохондрии называется матриксом. Внутренняя мебрана формирует множество складок, которые выдаются в сторону матрикса, эти складки называются кристами. Кристы имеют особое значение, которое мы разберём прямо в этом разделе. Пространство между слоями наружной и внутренней мембранами называется межмембранным пространством.

Вот как выглядят митохондрии на фотографии с электронного микроскопа. Обратите внимание на кристы – они очень хорошо заметны.

Функции митохондрии. Митохондрии и метаболизм

Прежде всего, я очень рекомендую Вам почитать моё руководство к циклу Кребса. Там вы увидите очень простое, базовое описание декарбоксилирования пирувата и цикла Кребса – важнейших процессов, которые протекают в митохондриях.

Постараюсь пересказать этот гайд максимально кратко. Итак, единственный способ для нашего вида добыть энергию – это получить её с пищей. Растения, например, умеют добывать энергию из солнечного света (это называется фотосинтезом), а мы нуждаемся в пище.

Главные компоненты пищи, из которых мы можем потреблять энергию – белки, жиры и углеводы.После того как мы покушали, белки в нашем организме распадаются до аминокислот, сложные углеводы – до простых (фактически – до глюкозы), а жиры – на глицерин и жирные кислоты. Распад сложных веществ на более простые называется катаболизмом. В цитоплазме клетки произойдёт превращение глюкозы в пировиноградную кислоту (это называется гликолизом) , в неё же превратятся и некоторые аминокислоты, а также – глицерин.

Далее, пировиноградная кислота, уже в матриксе митохондрий, превращается в суперважное вещество, – ацетил-коэнзим А, или “ацетил Коа”. Ацетил Коа направляется в цикл Кребса, который тоже происходит в митохондриях. Ацетил Коа – это центральный метаболит, “дрова” для топки цикла Кребса. В цикле Кребса образуется немного энергии в виде АТФ. Но это не главное – было бы странно запускать такую мощную метаболическую машину ради пары молекул АТФ, не так ли?

Самая изюминка цикла Кребса в том, что в нём синтезируются два важнейших вещества, способных переносить атомы водорода и электроны:

Никотинамидадениндинуклеотидфосфат – сокращённо “НАД”
Флавинадениндинуклеотид – сокращённо “ФАД”

Кроме того, в цикле Кребса создаётся немного воды, углексислого газа и уже упомянутый мной АТФ – также в очень небольшом количестве. Но для нас сейчас принципиально важны именно НАД и ФАД.

Оба этих вещества способны очень легко присоединять к себе атомы водорода, играя роль их переносчиков. Если НАД присоединяет к себе водород, получается вещество, называемое НАДH. ФАД, загруженный водородом, называется ФАДH.

Цепь переноса электронов

Ну казалось бы, присоединили эти ребята к себе водород, эка невидаль. И вот ради этого все эти гликолизы и циклы Кребса? Нет, конечно нет, основной способ извлечения энергии для клетки ждёт нас впереди.

Как вы помните, митохондрия имеет второй слой мембран с большим количеством складок, называемых кристами. Кристы погружаются в матрикс, выпячиваясь вовнутрь. Переносчики водорода, НАД и ФАД, доставляют атомы водорода до этих самых складок.

Обе мембраны митохондрий состоят из фосфолипидного бислоя и также пронизана многочисленными каналами и встроенными в неё белками – переносчиками. Среди них существуют белки, которые способны отщеплять электроны от НАДH и ФАДH, они называются цепью переноса электронов. Существуют также синонимы, такие как “дыхательная цепь” и “электрон-транспортная цепь”. Важный момент: последней остановкой в этой цепи является кислород.

Есть забавная метафора, в которой белки-переносчики электронов сравниваются с баскетболистами, играющими в пас. Конечным акцептором – то есть, баскетбольным кольцом, является кислород, который принимает ионы водорода и в сочетании с ними превращается в воду.

Идём далее.

С каждым новым проходом электронов через переносчики, выделяется немного энергии, которая меняет расположение переносчиков так, что они выкачивают протоны из матрикса в межмембранное пространство. Это могут быть протоны, высвободившиеся после отрыва электронов для дыхательной цепи или иные протоны матрикса.

Из-за градиента концентрации протоны стремятся попасть обратно в полость митохондрии (в полости их мало, в межмембранном пространстве – много). Но единственная “дверь”, через которую они могут попасть обратно – это интегрированный в мембрану белковый комплекс, называемый АТФ-синтазой.

В этом комплексе имеются молекулы аденозиндифосфата (АДФ) и фосфорной кислоты. Однако, без какого-либо механического вмешательства в АТФ-синтазу соединить АДФ и фосфорную кислоту, чтобы получить жизненно важный АТФ, невозможно. Поэтому происходит следующее: протоны водорода, проходя через АТФ-синтазу обратно в полость митохондрии, механически вращают субъединицы АТФ-синтазы, что влечёт за собой соединение АДФ и фосфорной кислоты и образование необходимого АТФ. Это очень выгодный путь, потому что он позволяет добыть максимально большое количество АТФ.

Кристы помогают и тут, ведь увеличение площади внутренней мембраны помогает также увеличить количество участков с АТФ-синтазой, чтобы произвести больше АТФ.

Отщепление электронов от НАД и ФАД называют окислением (как и любое отщепление электронов в общей химии), а присоединение фосфорной кислоты к АДФ называют фосфорилированием.

В итоге, весь процесс извлечения энергии при помощи цепи переноса электронов называется окислительным фосфорилированием – это очень важный термин, не забудьте его. Существует также субстратное фосфорилирование, значительно менее выгодное. Именно таким способом небольшое количество АТФ выделяется во время гликолиза, а затем и цикла Кребса.

Наконец, существует самый древний способ извлечения энергии, называемый фотофосфорилированием. Так добывают энергию растения и археи. Это работает в хлоропластах, то есть в органеллах растительных клеток, аналогичных митохондриям.

Клиническое значение

Существует множество препаратов, которые, по заявлению производителей, влияют на энергетические процессы в митохондриях, например, мельдоний, он же – натрия милдронат. Также широк рынок многочисленных биодобавок, являющимися синтетическими аналогами участников цепи переноса электронов, например, кофермент Q – аналог убихинона.

Но самое интересное касается не того, что положительно влияет на цепь переноса электронов, а того что её разрывает. Существует группа смертельно опасных ядов, которые поражают компоненты цепи переноса электронов. Речь идёт про цианиды. Наверное, вы слышали про цианистый калий или синильную кислоту (цианистый водород) – это именно цианиды.

Эффект от отравления цианидами молниеносен – не допуская электроны до кислорода, они, фактически, блокируют его действие. В результате появляются симптомы гипоксии, которые прежде всего, будут проявляться в тканях максимально зависимых от кислорода: нейроны головного мозга, кардиомиоциты (клетки мышцы сердца), а также клетки почек.

Типичная картина такого отравления: потерявший сознание или находящийся в сопоре человек, с выраженной одышкой и судорогами. В случае сохранения сознания или неглубокого сопора пострадавший будет держаться за грудь и жаловаться на боли в сердце. Цвет лица и кожи – насыщенно-розовый, как румянец у человека который пришёл с мороза в тёплое помещение. Крови, богатой кислородом, не становится меньше – просто из-за разрыва цепи переноса электронов он не может выполнять свою функцию и принимать ионы.

Разрыв цепи переноса электронов может быть не только из-за таких прицельных ядов, но и вследствии повреждения клетки в целом. Например, при закислении цитоплазмы, митохондрии сначала набухают (из-за чего дыхательная цепь замедляется, после чего разрывается), а затем уже необратимо повреждаются.

Интересности

Помните, я обещал ещё пару интересностей про митохондрии?

Наличие собственной ДНК

Да, это не ошибка – митохондрии действительно имеют собственную ДНК, отличную от основной ядерной ДНК. Она находится в матриксе митохондрий. Более того, в митохондриях есть собственный белок-синтезирующий аппарат, представленный митохондриальными рибосомами.

В целом, это происходит проще и примитивнее, чем в уже знакомой нам связке ядро-ядрышко-рибосомы-комплекс Гольджи. Однако, митохондриальные рибосомы (их ещё называют миторибосомами) синтезируют важнейшие белки, которые в зрелом виде становятся теми самыми переносчиками электронов.

Поэтому мы смело можем дополнить наш рисунок митохондрии:

Ещё интереснее: митохондриальная ДНК наследуется исключительно от матери. Раньше было принято считать, что митохондрии сперматозоида разрушаются перед оплодотворением, однако недавние исследования цитологов и эмбриологов доказали, что причина в несостоятельности генома сперматозоидных митохондрий – он просто не может передаваться по наследству (пруф здесь).

Материнское наследование митохондриальной ДНК давно и успешно используется криминалистами, генетиками и врачами лабораторной диагностики, ведь это отличная возможность доказать материнство.

Симбиогенез

Существует теория, согласно которой митохондрии раньше были самостоятельными прокариотными организмами. Однажды в ходе фагоцитоза эукариотическая клетка поглотила такой организм, и в ходе незавершённого фагоцитоза “еда” выжила и начала снабжать эукариота энергией в виде АТФ. Как я уже говорил, окислительное фофорилирование – энергетически чертовски выгодная штука, и этот союз эукариота и непереваренного прокариота отлично выжил и дал потомство.

Моя преподаватель по терапии предполагала, что лизосомами наши клетки обзавелись точно также, но это, в отличие от митохондрий, только гипотеза с пока ещё отсутствующей доказательной базой. А вот взгляд на появление митохондрий в научном мире сейчас почти однозначный. Кстати, такой способ обзавестись органеллами называется симбиогенезом.

Цитоскелет

Цитоскелет – это сеть тонких эластичных структур, которые оплетают клетку. Я нечто подобное писал и про эндоплазматическую сеть, только здесь мы имеем более тонкие структуры, не связанные с синтезом белков, но выполняющих, прежде всего, механическую, опорную роль. Правда, там тоже будет кое-что клинически-интересное, но обо всё по порядку.

Итак, цитоскелет состоит из тонких белковых структур различной формы и функций. Эти белковые структуры делятся на:

Микрофиламенты
Промежуточные филаменты
Микротрубочки

Микрофиламенты

Микрофиламенты – это самые тонкие из всех структур цитоскелета. Тем не менее, они обильно располагаются и ветвятся по всей клетке.

Микрофиламенты способны сокращаться, тем самым, играя главную роль в передвижениях клеток. В организме человека очень мало клеток, которые способны перемещаться:

Лейкоциты, которые двигаются к очагу воспаления (это называется “хемотаксис”)
Эмбриональные клетки во время развития плода;
Сперматозоиды.

В первых двух случаях микрофиламенты являются основной органеллой для передвижения, в случае со сперматозоидом движение осуществляется при помощи жгутика. Также, микрофиламенты дополнительно укрепляют выросты клетки, которые называются микроворсники. Микроворсинки встречаются далеко не во всех клетках, у человека микроворсинки имеются в клетках эпителия тонкой кишки. Поскольку клетки тонкой кишки занимаются, прежде всего, всасыванием питательных веществ, микроворсинки увеличивают площадь клетки, и, тем самым, повышают эффективность поглощения тех самых питательных веществ.

Посмотрите на этот рисунок -микрофиламенты (сиреневый цвет) оплетают клетку и очень наглядно формируют каркас для микроворсинок.

Промежуточные филаменты

Вторая по размеру и диаметру нити структурная часть цитоскелета – промежуточные филаменты. Слово “промежуточные” связано именно с классификацией по размеру и толщине (между микрофиламентами и микротрубочками), а не особенностями функций или чем либо-ещё.

Главная функция промежуточных филаментов – механическая фиксация клеточных органелл, формирование и поддерживание каркаса клетки (наряду с микрофиламентами) укрепление ядерной оболочки, а также – формирование выростов для межклеточных контактов.

Вернёмся к рисунки из прошлого подраздела и найдём здесь промежуточные филаменты – они выделены голубым цветом. Обратите внимание, что на этом рисунке изображены оба типа контактов:

Между клетками;
Между клеткой и веществом ткани (здесь – базальная мембрана).

Нарушение контактов между клеткой и веществом ткани наглядно иллюстрируется тяжёлой генетической болезнью, называемой буллёзным эпидермолизом. Из-за патологий в генах, которые кодируют синтез белков для промежуточных филаментов, отвечающих за контакты эпителия кожи с базальной мембраной, образуются многочисленные полости с жидким содержимым. Как и любая застойная жидкость в организме, содержимое этих пузырей может инфицироваться.

Микротрубочки

Микротрубочки, несмотря на название – самые крупные и массивные из структур, формирующие цитоскелет. Помните, чуть выше, в главе “эндоплазматическая сеть”, я сравнивал ЭПС с шоссейными дорогами в мегаполисе? Микротрубочки также являются подобными структурами, облегчающими транспорт веществ. Википедия сраниваниет микротрубочки с рельсами железных дорог – отличная аналогия, тем более, что автодороги и воздушные трубы в стиле “Футурамы” мы уже ассоциировали с эндоплазматической сетью.

Микротрубочки не деактивируют опасные вещества и не выращивают рибосом, однако они выполняют другие важные функции.

Например, микротрубочки являются жестким каркасом для ресничек и жгутиков в тех клетках, где таковые имеются. Как я говорил, жгутиками в человеческом организме обладают только мужские половые клетки сперматозоиды.

Зато ресничками обладают клетки эпителия дыхательного тракта, а также клетки, выстилающие фаллопиевые трубы. Принцип действия и тех и тех клеток примерно одинаковый – движения ресничек осуществляют проталкивание некоего объекта в определённом направлении. В случае ресничек эпителия дыхательных путей, так выталкиваются наружу инородные тела – бактерии, вирусы, частицы пыли. Ресничкам помогает слизь, выделяемая бокаловидными клетками бронхов и связывающая то, что нужно удалить из дыхтельных путей. Совместные действия ресничек и бокаловидных клеток называют муколицитарным клиренсом (это действительно просто выталкивание из дыхательных путей всякой ненужной дребедени – до ближайших кашлевых рецепторов, ничего сложного).

В случае же фаллопиевых труб, реснички проталкивают зародыш из полости трубы в полость матки. Зародыш на такой стадии называется бластоцистой, а процедура прикрепления бластоцисты к матке – имплантацией.

Микротрубочки также формируют клеточный центр, или центросому – органеллу, которая действительно располагается недалеко от ядра, в примерном геометрическом центре клетки.

Клеточный центр

Клеточный центр, или центросома – это место, откуда растут микротрубочки. Как я уже говорил, органелла не зря называется клеточным центром, потому что фактически совпадает с геометрическим центром среди других органелл и цитоплазмы.

Фактически, клеточный центр состоит из двух участков микротрубочек, каждая из которых называется центриолями. Перед митозом (делением любой не половой клетки) центриоли расходятся по разным сторонам клетки. Микротрубочки вырастают до такого состояния, чтобы можно было проникнуть сквозь ядро и прикрепится к хромосоме. Такое происходит с двух сторон, и, в итоге, хромосомы просто разрываются на две равные части, которые расходятся в разные полюса, по направлению к центриолям.

Микротрубочки и химиотерапия рака

Целая группа химиотерапевтических препаратов – растительные алкалоиды – способны прицельно блокировать рост микротрубочек во время митоза , не позволяя хромосомам полноценно разойтись к полюсам клетки и сформировать две новые клетки. В результате в клетке запускается апоптоз (запрограммированная клеточная смерть) и клетка погибает. Наиболее известные препараты этой группы – винкристин и винбластин.

Как вы знаете из прошлой статьи, клетка не делится всю свою жизнь – митоз приходится на небольшую часть жизни клетки, называемой клеточным циклом. Из-за того, что химиотерапия растительными алкалоидами наиболее эффективна именно в фазу митоза, препараты должны приниматься долго и регулярно – циклы химиотерапий длятся неделями или месяцами. Чем больше препарата попадёт в организм, тем больше клеток, попавших в митоз, будут уничтожены.

Это правило действует и на другие группы химиопрепаратов – у каждой группы есть своя точка приложения в клеточном цикле, когда они наиболее эффективны.

К сожалению, растительные алкалоиды и другие химиотерапевтические средства атакуют не только раковые, но и другие быстроделящиеся клетки. Исходя из блокирования митоза и невозможности делится, нетрудно объяснить и побочные эффекты химиотерапии:

Угнетение митоза в красном костном мозге – нейтропения (снижение количества нейтрофилов), анемия, тромбоцитопения;
Подавление митоза в эпителии ЖКТ – рвота, диарея, воспаления слизистой рта, эпителия кожи – полное выпадение волос;
Бесплодие, поражение клеток почек и другие побочные эффекты.

Надо сказать, что существует множество лекарственных средств и методов, которые облегчают переносимость таких неприятностей.

Включения, везикулы и пероксисомы

Существует ещё несколько органелл, которые описываются в учебниках по биологии и гистологии. Я постараюсь рассказать о них кратко но доступно и понятно, чтобы вы могли быстро сориентироваться при подготовке к зачёту или экзамену.

Включения

Итак, включения, или временные включения – это некие вещества, которые могут временно находится внутри клетки. Среди множества их стоит изучить трофические и пигментные включения.

Трофические включения – это временно находящиеся в цитоплазме вещества, которые могут быть использованы в качестве источника энергии при необходимости. Например, это капельки жиров, имеющие вид от крохотных частиц до крупных капель, заполняющими всю клетку. Очень много жировых включений в клетках жировой ткани – адипоцитах (их также называют липоцитами). Фактически, в них вся цитоплазма заполнена жиром.

На этом снимке препарата жировой ткани вы можете увидеть отдельные адипоциты. Жир заполняет клетки целиком, из-за чего они выглядят как кружочки с белым наполнителем.

Ещё один пример трофических включений – залежи гликогена в некоторых клетках, прежде всего, в печени. В случае голодания или высокоинтенсивных физических нагрузок гликоген может быть быстро расщеплён до глюкозы, которая немедленно отправляется в кровь. Расщепление гликогена называется гликогенолизом.

Пигментные включения – это некие красящие вещества, которые находятся в цитоплазме. Они могут:

Ограниченно влиять на функции клеток (например, большое количество каротина в клетках после употребления моркови)
Играть принципиальную роль – например, гемоглобин в эритроцитах или меланин в меланоцитах. Могут быть токсичны и опасны, как билирубин при желтухе.

Везикулы

Везикулы – это не постоянно существующие транспортные пузырьки, которые играют роль пакетов или конвертов. Именно в них упаковываются готовые белки, ферменты и другие вещества, которые выводятся из клетки. То, что попадает в клетку, также может иметь оболочку – везикулу.

Везикулы также курсируют между эндоплазматической сетью и комплексом Гольджи, постоянно транспортируя ингридиенты для синтеза необходимых веществ или перенося готовые вещества за пределы клетки или к определённы органеллам внутри клетки.

Пероксисомы

Особенно часто англоязычные учебники выделяют пероксисомы в качестве отдельный органелл и делают на них большой акцент. Фактически, это полости с агрессивными ферментами для расщепления и переваривания веществ. Пероксисома похожа на лизосому, только она имеет мембрану в виде одной оболочки, а не двух. Ещё одно отличие – перкосисомы используют в качестве обезвреживающего вещества активный кислород, в результатье работы которого образуется перекись водорода (отсюда и название).

Пероксисомы более ассоциированы с уничтожением остатков органелл собственной клетки, нежели с уничтожением антигенов.

Базовая анатомия клетки – 2