 |
РУБРИКИ |
Эукариотическая клетка - (контрольная) |
РЕКЛАМА |
||
|
Эукариотическая клетка - (контрольная)Эукариотическая клетка - (контрольная)Дата добавления: март 2006г. МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ПРОСВЕЩЕНИЯ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН Структурно-функциональная организация эукариотической клетки. а) биологическая мембрана; в) мембранный транспорт молекул и частиц (экзоцитос и эндоцитоз); Эукариоты появились среди обитателей планеты около 1, 5 млрд. лет назад. Отличаясь от прокариот более сложной организацией, они используют в своей жизнедеятельности больший объем наследственной информации. Так, общая длина молекул ДНК в ядре клетки млекопитающего составляет примерно 5 • 109 пар нуклеотидов, т. е. в 1000 раз превосходит длину молекулы ДНК бактерии. Первоначально эукариоты имели одноклеточное строение. Доисторические одноклеточные эукариоты послужили основой для возникновения в процессе эволюции организмов, имеющих многоклеточное строение тела. Они появились на Земле около 600 млн. лет назад и дали широкое разнообразие живых существ, расселившихся в трех основных средах: водной, воздушной, наземной. Полезно заметить, что многоклеточность возникла в эволюции в период, когда атмосфера планеты, обогатившись, приобрела устойчивый окислительный характер. Структурно-функциональная организация эукариотической клетки Эукариотический тип клеточной организации представлен двумя подтипами. Особенностью организмов простейших (рис. 2. 2) является то, что они (исключая колониальные формы) соответствуют в структурном отношении уровню одной клетки, а в отношении физиологическом— полноценной особи. В связи с этим одной из черт клеток части простейших является наличие в цитоплазме миниатюрных образований, выполняющих на клеточном уровне функции жизненно важных органов, аппаратов и систем органов многоклеточного организма. Таковы (например, у инфузорий) цитостом, цитофарингс и порошица, Структурная организация одноклеточного организма (инфузория): /— генеративное ядро, аналогичные пищеварительной системе, и сократительные вакуоли, аналогичные выделительной системе. В традиционном изложении клетку растительного или животного организма описывают как объект, отграниченный оболочкой, в котором выделяют ядро и цитоплазму. В ядре наряду с оболочкой и ядерным соком обнаруживаются ядрышко и хроматин. Цитоплазма представлена ее основным веществом (матриксом, гиалоплазмой), в котором распределены включения и органеллы. Высокая упорядоченность внутреннего содержимого эукариотической клетки достигается путем компартментации ее объема— подразделения на “ячейки”, отличающиеся деталями химического (ферментного) состава. Компартментация способствует пространственному разделению веществ и процессов в клетке. Отдельный компартмент представлен органеллой (лизосома) или ее частью (пространство, отграниченное внутренней мембраной митохондрии). Молекулярная организация биологической мембраны: Важная роль в осуществлении компартментации принадлежит биологическим мембранам. Они выполняют ряд функций: отграничивающую (барьерную), регуляции и обеспечения избирательной проницаемости веществ, образования поверхностей раздела между водной (гидрофильной) и неводной (гидрофобной) фазами с размещением на этих поверхностях ферментных комплексов. Благодаря присутствию липидов (жировых веществ) мембраны образуют гидрофобную внутриклеточную фазу как компартмент для химических реакций в неводной среде. Молекулярный состав мембран, набор соединений и ионов, размещающихся на их поверхностях, различаются от структуры к структуре. Этим достигается функциональная специализация мембран клетки. Включение в мембрану клетки молекул рецепторов делает ее восприимчивой к биологически активным соединениям, например гормонам. Предложено несколько схем взаимоотношения в мембране основных химических компонентов —белков и липидов, а также веществ, размещаемых на мембранной поверхности. В настоящее время большей популярностью пользуется точка зрения, согласно которой мембрана составлена из бимолекулярного слоя липидов. Гидрофобные участки их молекул повернуты друг к другу, а гидрофильные находятся на поверхности слоя. Разнообразные белковые молекулы встроены в этот слой или размещены на его поверхностях. Благодаря компартментации клеточного объема в эукариотической клетке наблюдается разделение функций между разными структурами. Одновременно различные структуры закономерно взаимодействуют друг с другом. Транспорт через мембраны Жизненно важен по ряду причин. Он должен обеспечить поддержание в клетке соответствующего рН и надлежащей ионной концентрации, необходимых для эффективной работы клеточных ферментов; он оставляет питательные вещества, которые служат источником энергии, а также“сырьем”для образования клеточных компонентов; от него зависят выведение из клетки токсичных отходов, секреция различных полезных веществ и, наконец, создание ионных градиентов, необходимых для нервной и мышечной активности. Мы обсудим здесь транспорт веществ через плазматическую мембрану, отметив, что аналогичный характер носит и транспорт через мембраны клеточных органелл. Существует четыре основных механизма для поступления веществ в клетку или выхода их из клетки наружу: диффузия, осмос, активный транспорт и экзо- или эндоцитоз. Два первых процесса носят пассивный характер, т. е. не требуют затрат энергии; два последних - активные процессы, связанные с потреблением энергии. Диффузия Газы, например кислород, потребляемый клетками при дыхании, и образующаяся в процессе дыхания СО2, в растворе быстро диффундируют через мембраны, перемещаясь по диффузионному градиенту, т. е. из области с высокой концентрацией в область с низкой концентрацией. Ионы и малые полярные молекулы, такие, как глюкоза, аминокислоты, жирные кислоты и глицерол, обычно диффундируют через мембраны медленно. Гораздо более быстро проходят через мембраны незаряженные и жирорастворимые (липофильные) молекулы, о чем мы уже говорили выше. Модификацией этого механизма является так называемая облегченная диффузия, при которой веществу помогает пройти через мембрану какая-либо специфическая молекула. У этой молекулы может быть особый канал, пропускающий вещества только одного определенного типа. Примером такого перемещения служит поступление глюкозы в эритроциты; оно не нарушается ингибиторами дыхания и, следовательно, не является активным процессом. Диффузия воды через полупроницаемые мембраны называется осмосом . Активный транспорт - это сопряженный с потреблением энергии перенос молекул или ионов через мембрану против градиента концентрации. Энергия требуется потому, что вещество должно двигаться, вопреки своему естественному стремлению диффундировать в противоположном направлении. Движение это обычно однонаправленное, тогда как диффузия обратима. Для ионов направление диффузии определяется двумя факторами: один из этих факторов - концентрация, а другой - электрический заряд. Ионы обычно диффундируют из области с высокой их концентрацией в область с низкой концентрацией. Кроме того, они обычно притягиваются областью с противоположным зарядом и отталкиваются областью с одноименным зарядом. Поэтому мы говорим, что они движутся по электрохимическим градиентам, в которых объединяется эффект электрического и концентрационного градиентов. Строго говоря, активный транспорт ионов - это их перемещение против электрохимического градиента. Показано, что в клетках между двумя сторонами плазматической мембраны поддерживается разность потенциалов, иными словами, электрический заряд, и что почти во всех изученных клетках внутреннее содержимое клетки заряжено отрицательно по отношению к внешней среде. Поэтому катионы (положительно заряженные ионы) обычно стремятся в клетку, тогда как анионы клеткой отталкиваются. Однако их относительные концентрации внутри и вне клетки также играют роль, т. е. и от концентраций зависит, в каком направлении в действительности диффундируют ионы. Во внеклеточных и внутриклеточных жидкостях из ионов преобладают ионы натрия (Nа+), ионы калия (К+ и хлорид - ионы (С1-). Ионный состав в клетках обоих этих типов резко отличается от состава окружающего их наружного раствора. У них, например, как и у большинства клеток, концентрация калия внутри значительно выше, чем снаружи. Другая характерная особенность заключается в том, что внутриклеточная концентрация калия превышает концентрацию натрия. Если каким-либо специфическим воздействием, например, с помощью цианида, подавить дыхание эритроцитов, то их ионный состав начнет постепенно меняться и в конце концов сравняется с ионным составом плазмы крови. Это показывает, что данные ионы могут пассивно диффундировать через плазматическую мембрану эритроцитов, но что в норме за счет энергии, поставляемой процессом дыхания, идет их активный транспорт, благодаря которому и поддерживаются концентрации. В клетках двух типов натрий активно выкачивается из клетки, а калий активно накачивается в нее. Путем расчета можно показать, что реальный поток хлорид - ионов из плазмы в эритроциты отсутствует, несмотря на их, более высокую концентрацию в плазме крови. Объясняется это тем, что содержимое клетки отталкивает хлорид - ионы, поскольку оно заряжено отрицательно по отношению к внешней среде; иначе говоря, движение этих ионов определяется электрохимическим градиентом, что справедливо для всех клеток. Сравнительно недавно выяснилось, что у большей части клеток в плазматической мембране действует натриевый насос, активно выкачивающий натрий из клетки. Обычно, хотя и не всегда, натриевый насос сопряжен с калиевым насосом, активно поглощающим ионы калия из внешней среды и переносящим их в клетку. Такой объединенный насос называют натрий - калиевым насосом (Nа+, К+ - насос). Поскольку этот насос имеется в большинстве клеток и выполняет в них ряд важных функций, он представляет собой хороший пример механизма активного транспорта. Nа+, К+-насос изучен в животных клетках и установлено, что его “приводит в движение”АТФ. О его физиологическом значении свидетельствует тот факт, что более трети АТФ, потребляемого животной клеткой в состоянии покоя, расходуется на перекачивание натрия и калия. Это необходимо для сохранения клеточного объема (осморегуляция), для поддержания электрической активности в нервных и мышечных клетках и, наконец, для активного транспорта некоторых других веществ, например Сахаров и аминокислот. Высокие концентрации калия требуются также для белкового синтеза, глико-лиза, фотосинтеза и для некоторых других жизненно 3 важных процессов. Насос-это особый белок, локализующийся в мембране таким образом, что он пронизывает всю ее толщу. С внутренней стороны мембраны к нему поступают натрий и АТФ, а с наружной– калий. Перенос натрия и калия через мембрану совершается, как полагают, в результате конформационных изменений, которые претерпевает этот белок. Белок действует и как АТФаза, катализируя гидролиз АТФ с высвобождением энергии, которая и приводит в движение насос. Обратите внимание, что на каждые два поглощенных иона калия из клетки выводится три иона натрия. Вследствие этого содержимое клетки становится более отрицательным, по отношению к внешней среде, а между двумя сторонами мембраны возникает разность потенциалов. Выкачиваемый из клетки натрий обычно пассивно диффундирует обратно в клетку. Однако мембрана мало проницаема для натрия, и потому эта диффузия в обратном направлении происходит очень медленно. Для ионов калия мембраны приблизительно в 100 раз более проницаемы, чем для натрия; соответственно и диффундирует калий гораздо быстрее. Активный транспорт осуществляется всеми клетками, но в некоторых физиологических процессах он играет особо важную роль. Именно так обстоит дело в клетках эпителия, выстилающего кишечник и активный транспорт в кишечнике. Всасываясь в тонком кишечнике, продукты переваривания пищи должны пройти через клетки эпителия, выстилающего стенку кишки. Затем глюкоза, аминокислоты и соли через клетки, образующие стенки кровеносных сосудов, поступают в кровь и доставляются кровью в печень. Вскоре после приема пищи концентрация продуктов ее переваривания достигает в кишечнике довольно высокого уровня, так что всасывание в какой-то мере является и результатом диффузии. Однако диффузия происходит здесь очень медленно, и ее должен дополнять активный транспорт. Активный транспорт сопряжен с работой Nа+, К+ - насоса. Натрий, выкачиваемый из клетки натрий - калиевым насосом, стремится диффундировать обратно в клетку. В мембране находится белок, которому для выполнения его функции требуются натрий и глюкоза. Они транспортируются в клетку вместе пассивно. Таким образом, натрий “тянет” глюкозу вместе с собой в клетку. Активный транспорт аминокислот совершается при участии аналогичного белкового “натрий - аминокислотного” переносчика; активной частью этого процесса является выкачивание натрия обратно, наружу. При отсутствии градиента концентрации натрия оба эти переносчика тоже могут работать, если только наружная концентрация глюкозы или аминокислот превышает их внутреннюю концентрацию, т. е. в таких случаях имеет место облегченная диффузия. В нервных и мышечных клетках натрий - калиевый насос обеспечивает возникновение в плазматической мембране разности потенциалов, называемой потенциалом покоя. В мембранах саркоплазматического ретикулума мышечных клеток действует насос, аналогичный Nа+, К+- насосу; в этом случае за счет энергии АТФ в саркоплазматический ретикулум активно накачивается кальций. В почках также имеет место активный транспорт: из проксимальных извитых канальцев почки активно транспортируются натрий и глюкоза, а в корковом веществе почки - натрий. Эндоцитоз и экзоцитоз Эндоцитоз и экзоцитоз - это два активных процесса, посредством которых различные материалы транспортируются через мембрану либо в клетки (эндоцитоз), либо из клеток (экзоцитоз). При эндоцитозе плазматическая мембрана образует впячивания или выросты, которые затем, отшнуровываясь, превращаются в пузырьки или вакуоли. Различают два типа эндоцитоза: 1. Фагоцитоз-поглощение твердых частиц. Специализированные клетки, осуществляющие фагоцитоз, называются фагоцитами; эту функцию выполняют, например, некоторые виды лейкоцитов. Мембранный мешочек, обволакивающий поглощаемую частицу, называют фагоцитозной вакуолью. 2. Пиноцитоз - поглощение жидкого материала (раствор, коллоидный раствор, суспензия). Часто при этом образуются очень мелкие пузырьки. В таком случае говорят о микропиноцитозе и пузырьки называют микропиноцитозными. Пиноцитоз характерен для амебоидных простейших и для многих других (часто амебоидных) клеток, таких, как лейкоциты, клетки зародыша, клетки печени и некоторые клетки почек, участвующие в водно-солевом обмене. Удается наблюдать пиноцитоз также и в клетках растений. Экзоцитоз - процесс, обратный эндоцитозу. Таким способом различные материалы выводятся из клеток: из пищеварительных вакуолей удаляются оставшиеся непереваренными плотные частицы, а из секреторных клеток путем“пиноцитоза наоборот” выводится их жидкий секрет. Все процессы жизнедеятельности клеток происходят с затратой энергии, которая поступает извне и преобразовывается специальными органалами клетки: в растительной клетке– это хлоропласт, в животной –митахондрии. Процессы преобразования энергии называется фотосинтез (растительная клетка), синтез АТФ– животная клетка. У эукариот фотосинтез происходит в особых органеллах, называемых хлоропластами. Хлоропласты рассеяны в цитоплазме, их число варьирует от одного примерно до ста. У высших растений Хлоропласты на срезе обычно имеют двояковыпуклую форму, а при взгляде сверху выглядят округлыми. Диаметр хлоропластов около 3-10 мкм (в среднем 5 мкм), так что они хорошо видны в световой микроскоп. У водорослей форма хлоропластов более разнообразна. Хлоропласты образуются из небольших недифференцированных телец, называемых иропластидами; такие тельца имеются в растущих частях растения (в клетках меристемы), они окружены двойной мембраной - будущей оболочкой хлоропласта. В хлоропластах всегда содержатся хлорофилл и другие фотосинтетические пигменты, локализованные в системе мембран, которые погружены в основное вещество хлоропластастрому. Детали строения хлоропластов выявляются с помощью электронного микроскопа. Мембранная система–это то место, где протекают световые реакции. Темновые реакции фотосинтеза происходят в строме. Им удобно пользоваться, когда надо показать, что образуется одна молекула сахара, но при этом не следует забывать, что это всего лишь суммарное отображение многих событий. Несколько лучший вариант: Такого соединения, как СН2О, не существует, но эта формула отражает состав углевода. Глядя на приведенное выше уравнение, химик сразу же задумается о том, к какому типу относится эта реакция, а ответить на этот вопрос нельзя, если не знать, из чего - из двуокиси углерода или воды - образуется выделяющийся кислород. Казалось бы, ответ ясен: из двуокиси углерода; в таком случае осталось бы только присоединить углерод к воде, и получился бы углевод. Но прямо ответить на этот вопрос удалось только после того, как в 40-е годы в биологических исследованиях начали применять. Массовое число обычного изотопа кислорода равно 16, поэтому его обозначают lб0 (8 протонов, 8 нейтронов). А один из редких изотопов имеет массовое число 18 (18О). Это стабильный изотоп, но его можно обнаружить благодаря его несколько большей массе. Для этого используют масс-спектрометр - очень важный аналитический прибор, способный улавливать разницу между массами отдельных атомов и молекул. В 1941 г. был поставлен эксперимент, результаты которого можно выразить следующим образом: Так было установлено, что источником кислорода служит вода. Из уравнения видно, что из каждой молекулы воды выделяется один атом кислорода. В сбалансированном виде уравнение должно выглядеть так: Это самое точное итоговое уравнение фотосинтеза; к тому же из него дополнительно вытекает, что вода в процессе фотосинтеза не только используется, но и образуется. Рассмотренный выше эксперимент косвенно подтверждал полученные примерно в это же время данные Ван-Нила о том, что фотосинтезирующие бактерии совсем не выделяют кислорода, хотя и используют СО2. Ван-Нил пришел к выводу, что всем фотосинтезирующим организмам необходим источник водорода; у растений это вода, причем выделяется кислород; а, например, у серобактерий это сероводород, и вместо кислорода выделяется сера: Это уравнение для серобактерий полностью аналогично уравнению для растений. Упомянутые эксперименты позволили глубже понять природу фотосинтеза. Они показали, что фотосинтез включает две стадии, первая из которых состоит в получении водорода. У растений водород получается путем расщепления воды на кислород и водород; для этого расщепления нужна энергия, которую и дает свет (отсюда и сам процесс стали называть фотолизом (греч. photos-свет, lysis-расщепление). Кислород выделяется как ненужный побочный продукт. Во второй стадии водород соединяется с СO2и образуется углевод. Присоединение водорода - это один из примеров химической реакции, называемой восстановлением. Тот факт, что фотосинтез является двухстадийным процессом, был впервые установлен в 20-е-30-е годы. Для первой стадии характерны так называемые световые реакции, для которых нужен свет. На второй стадии свет не нужен, и поэтому соответствующие реакции, хотя они тоже происходят на свету, назвали темповыми реакциями. Сейчас выяснено, что это два отдельных набора реакций, которые к тому же разделены и в пространстве: световые реакции происходят в мембранах хлоропластов, а темновые - в их строме. Когда было установлено, что фотосинтез складывается из световых реакций и следующих за ними темновых реакций, к концу 50-х годов осталось только выяснить, что же это за реакции. В 1958 г. Арнон и его сотрудники показали, что на свету изолированные хлоропласты могут синтезировать АТФ из АДФ и фосфата (фосфорилирование), восстанавливать НАДФ до НАДФ-Н2 и выделять кислород. Арнон показал также, что СО2 можно восстановить до углевода даже в темноте, при условии что в среде присутствуют АТФ и НАДФ • Н2. Это позволяло думать, что роль световых реакций состоит лишь в образовании АТФ и НАДФ-Нд. Арнон обратил внимание на сходство этого процесса с дыханием, при котором тоже происходит фосфорилирование АДФ. Для фосфорилирования нужна энергия. При дыхании энергия высвобождается в результате окисления питательных веществ пищи (чаще всего глюкозы), и потому этот процесс называют окислительным фосфорилированием. При фотосинтезе источником энергии служит свет, и соответствующий процесс назвали фотофосфорили-рованием. Таким образом, окислительное фосфорилирование - это превращение АДФ и Фнв АТФ за счет химической энергии, получаемой из пищи в процессе дыхания, а фотофосфорилирование-это такое же превращение с использованием энергии света в процессе фотосинтеза (Фн - неорганический фосфат). Арнон совершенно верно предсказал, что фото-фосфорилирование, как и окислительное фосфорилирование, должно быть сопряжено с переносом электронов в мембранах. Перенос электронов - это основа для понимания как фотосинтеза, так и дыхания. Процесс преобразования энергии в животных клетках происходит с помощью митахондрий. Митохондрии имеются во всех эукариотических клетках. Эти органеллы - главное место аэробной дыхательной активности клетки. Впервые наблюдал Митохондрии в виде гранул в мышечных клетках Кёлликер в 1850 г. Позднее, в 1898 г. , Михаэлис показал, что они играют важную роль в дыхании: в его опытах митохондрии вызывали изменение цвета окислительно-восстановительных индикаторов. Число митохондрии в клетке очень непостоянно; оно зависит от вида организма и от природы клетки. В клетках, в которых потребность в энергии велика, содержится много митохондрии (в одной печеночной клетке, например, их может быть около 1000). В менее активных клетках митохондрии гораздо меньше. Чрезвычайно сильно варьируют также размеры и форма митохондрии. Митохондрии могут быть спиральными, округлыми, вытянутыми, чашевидными и даже разветвленными; в более активных клетках они обычно крупнее. Длина митохондрии колеблется в пределах 1, 5-10 мкм, а ширина - в пределах 0, 25-1, 00 мкм. Митохондрии способны изменять свою форму, а некоторые могут также перемещаться в особо активные участки клетки. Такое перемещение (которому способствует ток цитоплазмы) позволяет клетке сосредоточивать большее число митохондрии в тех местах, где выше потребность в АТФ. В других случаях положение митохондрии более постоянно (как, например, в летательных мышцах насекомых). Изучением этого вопроса активно занимаются больше 30 лет однако четкого представления о механиз мах синтеза АТФ нас пока еще нет. В последнее время усиленно обсуждаются главным образом две гипотезы: гипотеза химического сопряжения и хемиосмотическая гипотеза. Согласно этой гипотезе, синтез АТФ сопряжен с переносом электронов при посредстве одного или нескольких“высокоэнергетических”промежуточных Энергия, высвобождаемая при переносе в окислительно-восстановительных реакциях дыхательной цепи, используется в нескольких ее звеньях для образования высокоэнергетической связи в одном из таких продуктов. Затем при фосфорилировании АДФ эта энергия переходит к высокоэнергетической связи АТФ. До сих пор, однако, обнаружить подобные промежуточные продукты не удалось, и до тех пор, пока их существование не подтвердится, эту гипотезу нельзя считать убедительной. Большее признание завоевала гипотеза, выдвинутая Митчеллом в 1961 г. Он полагал, что синтез АТФ находится в тесной зависимости от того, каким образом электроны и протоны передаются по дыхательной цепи. Ниже перечислены условия, соблюдения которых требует эта гипотеза. 1. Внутренняя митохондриальная мембрана должна быть интактна и непроницаема для протонов (ионов водорода), направляющихся снаружи внутрь. 2. В результате активности дыхательной (электрон-транспортной) цепи ионы водорода поступают в нее изнутри, из матрикса, а освобождаются на наружной стороне мембраны. 3. Движение ионов водорода, направленное изнутри наружу, приводит к их накоплению, вследствие чего между двумя сторонами митохондриальной мембраны возникает градиент рН. Это может быть связано с тем, что ферменты, принимающие и отдающие ионы водорода, расположены в мембране определенным образом и поэтому могут принимать ионы водорода только изнутри и отдавать их только наружу. 4. Сам по себе градиент рН не мог бы поддерживаться, так как ионы водорода диффундировали бы обратно в митохондрию. Поддержание такого градиента требует затраты энергии. Предполагается, что энергию поставляет перенос электронов по электронтранспортной (дыхательной) цепи. 5. Эта энергия используется затем для синтеза АТФ. Синтез АТФ, таким образом, поддерживается наличием градиента рН. По закону действующих масс удаление воды должно ускорять реакцию, идущую слева направо, т. е. благоприятствовать образованию АТФ. Согласно теории Митчелла, фермент, ответственный за образование воды при синтезе АТФ, ориентирован в мембране таким образом, освобождаются с внутренней стороны мембраны, где значение рН выше (т. е. концентрация Н'1'меньше), а гидроксильные ионы (ОН")-с наружной стороны, где рН ниже (т. е. концентрация Н4" больше). Таким образом, вода, образующаяся при синтезе АТФ, быстро удаляется, и это стимулирует синтез, Из гипотезы Митчелла ясно, почему мембрана должна быть интактной (в моменты, ответственные за прохождение ионов водорода и за образование воды, так что любое изменение структуры мембраны неминуемо сказалось бы также на расположении ферментов и на их структуре). Объяснимо и требование непроницаемости мембраны для ионов водорода (в направлении снаружи внутрь): в основе гипотезы лежит представление о трансмембранном градиенте рН, атакой градиент не мог бы поддерживаться, если бы мембрана была полностью проницаемой. Следует отметить также, что гипотеза обходится без каких бы то ни было промежуточных продуктов в процессе синтеза АТФ. |
|
© 2007 |
|