Содержание

Клеточная мембрана, строение, основное свойство, какие вещества входят в состав, функции, виды мембран, избирательная проницаемость, химический состав плазматической мембраны

Клеточная мембрана – это структура, покрывающая клетку снаружи. Её так же называют цитолемма или плазмолемма.

Данное образование построено из билипидного слоя (бислоя) со встроенными в него белками. Углеводы, входящие в состав плазмолеммы, находятся в связанном состоянии.

Распределение основных компонентов плазмолеммы выглядит следующим образом: более половины химического состава приходится на белки, четверть занимают фосфолипиды, десятую часть – холестерол.

Клеточная мембрана и ее виды

Мембрана клетки – тонкая пленка, основу которой составляют пласты липопротеидов и белков.

По локализации выделяют мембранные органеллы, имеющие некоторые особенности в растительных и животных клетках:

  • митохондрии,
  • ядро,
  • эндоплазматический ретикулум,
  • комплекс Гольджи,
  • лизосомы,
  • хлоропласты (в растительных клетках).

Также есть внутренняя и наружная (плазмолемма) клеточная мембрана.

Строение клеточной мембраны

Клеточная мембрана содержит углеводы, которые покрывают ее, в виде гликокаликса. Это надмембранная структура, которая выполняет барьерную функцию. Белки, расположенные здесь, находятся в свободном состоянии. Несвязанные протеины участвуют в ферментативных реакциях, обеспечивая внеклеточное расщепление веществ.

Белки цитоплазматической мембраны представлены гликопротеинами. По химическому составу выделяют протеины, включенные в липидный слой полностью (на всем протяжении), – интегральные белки. Также периферические, не достигающие одной из поверхностей плазмолеммы.

Первые функционируют как рецепторы, связываясь с нейромедиаторами, гормонами и другими веществами. Вставочные белки необходимы для построения ионных каналов, через которые осуществляется транспорт ионов, гидрофильных субстратов. Вторые являются ферментами, катализирующими внутриклеточные реакции.

Основные свойства плазматической мембраны

Липидный бислой препятствует проникновению воды. Липиды – гидрофобные соединения, представленные в клетке фосфолипидами. Фосфатная группа обращена наружу и состоит из двух слоев: наружного, направленного во внеклеточную среду, и внутреннего, отграничивающего внутриклеточное содержимое.

Водорастворимые участки носят название гидрофильных головок. Участки с жирной кислотой направлены внутрь клетки, в виде гидрофобных хвостов. Гидрофобная часть взаимодействует с соседними липидами, что обеспечивает прикрепление их друг к другу. Двойной слой обладает избирательной проницаемостью на разных участках.

Так, в середине мембрана непроницаема для глюкозы и мочевины, здесь свободно проходят гидрофобные вещества: диоксид углерода, кислород, алкоголь. Важное значение имеет холестерол, содержание последнего определяет вязкость плазмолеммы.

Функции наружной мембраны клетки

Характеристики функций кратко перечислены в таблице:

Функция мембраны Описание
Барьерная роль Плазмолемма выполняет защитную функцию, предохраняя содержимое клетки от воздействия чужеродных агентов.
Благодаря особой организации белков, липидов, углеводов, обеспечивается полупроницаемость плазмолеммы.
Рецепторная функция Через клеточную мембрану происходит активация биологически активных веществ в процессе связывания с рецепторами. Так, иммунные реакции опосредуются через распознавание чужеродных агентов рецепторным аппаратом клеток, локализованным на клеточной мембране.
Транспортная функция Наличие пор в плазмолемме позволяет регулировать поступление веществ внутрь клетки. Процесс переноса протекает пассивно (без затрат энергии) для соединений с низкой молекулярной массой. Активный перенос связан с затратами энергии, высвобождающейся при расщеплении аденозинтрифосфота (АТФ). Данный способ имеет место для переноса органических соединений.
Участие в процессах пищеварения На клеточной мембране происходит осаждение веществ (сорбция). Рецепторы связываются субстратом, перемещая его внутрь клетки. Образуется пузырек, свободно лежащий внутри клетки.
Сливаясь, такие пузырьки формируют лизосомы с гидролитическими ферментами.
Ферментативная функция Энзимы, необходимые составляющие внутриклеточного пищеварения. Реакции, требующие участия катализаторов, протекают с участием ферментов.

Какое значение имеет клеточная мембрана

Клеточная мембрана участвует в поддержании гомеостаза за счет высокой селективности поступающих и выходящих из клетки веществ (в биологии это носит название избирательной проницаемости).

Выросты плазмолеммы разделяют клетку на компартменты (отсеки), ответственные за выполнение определенных функций. Специфически устроенные мембраны, соответствующие жидкостно-мозаичной схеме, обеспечивают целостность клетки.

Строение и функции цитоплазматической мембраны клеток.

Цитоплазматическая клеточная мембрана состоит из трех слоев:

  • Наружного – белкового;

  • Среднего – бимолекулярного слоя липидов;

  • Внутреннего – белкового.

Толщина мембраны 7,5-10 нм. Бимолекулярный слой липидов является матриксом мембраны. Липидные молекулы его обоих слоев взаимодействуют с белковыми молекулами, погруженными в них. От 60 до 75% липидов мембраны составляют фосфолипиды, 15-30% холестерин. Белки представлены в основном гликопротеинами. Различают интегральные белки, пронизывающие всю мембрану, ипериферические, находящиеся на наружной или внутренней поверхности.

Интегральные белкиобразуют ионные каналы, обеспечивающие обмен определенных ионов между вне- и внутриклеточной жидкостью. Они также являются ферментами, осуществляющими противоградиентный перенос ионов через мембрану.

Периферическими белкамиявляются хеморецепторы наружной поверхности мембраны, которые могут взаимодействовать с различными физиологически активными веществами.

Функции мембран:

1. Обеспечивает целостность клетки как структурной единицы ткани.

  1. Осуществляет обмен ионов между цитоплазмой и внеклеточной жидкостью.

  2. Обеспечивает активный транспорт ионов и других веществ в клетку и из нее.

  3. Производит восприятие и переработку информации, поступающей к клетке в виде химических и электрических сигналов.

Механизмы возбудимости клеток. История исследования биоэлектрических явлений.

В основном передаваемая в организме информация имеет вид электрических сигналов (например, нервные импульсы). Впервые наличие животного электричества установил естествоиспытатель (физиолог) Л. Гальвани в 1786г. С целью исследования атмосферного электричества он подвешивал нервно-мышечные препараты лапок лягушек на медном крючке. Когда эти лапки касались железных перил балкона, происходило сокращение мышц. Это свидетельствовало о действии какого-то электричества на нерв нервно-мышечного препарата. Гальвани посчитал, что это обусловлено наличием электричества в самих живых тканях.

Однако, А. Вольта установил, что источником электричества является место контакта двух разнородных металлов – меди и железа. В физиологии первым классическим опытом Гальвани считается прикосновение к нерву нервно-мышечного препарата биметаллическим пинцетом, сделанным из меди и железа. Чтобы доказать свою правоту, Гальвани произвелвторой опыт. Он набрасывал конец нерва, иннервирующего нервно-мышечный препарат, на разрез его мышцы. В результате возникало ее сокращение. Однако и этот опыт не убедил современников Гальвани. Поэтому другой итальянец Маттеучи произвел следующий эксперимент. Он накладывал нерв одного нервно-мышечного препарата лягушки на мышцу второго, которая сокращалась под действием раздражающего тока. В результате первый препарат тоже начинал сокращаться. Это свидетельствовало о передаче электричества (потенциал действия) от одной мышцы к другой. Наличие разности потенциалов между поврежденным и неповрежденным участками мышцы впервые точно установил в XIX веке с помощью струнного гальванометра (амперметра) Маттеучи.
Причем разрез имел отрицательный заряд, а поверхность мышцы – положительный.

Урок "Цитоплазматическая мембрана" 10 класс

Урок 27

Цитоплазматическая мембрана. Лабораторный опыт №3 «Наблюдение осмотических явлений в растительных тканях»

Цель: к концу урока учащиеся должны знать химический состав и строение плазмалеммы.

Задачи:

  1. Создать условия для формирования представлений о химическом составе и строении плазмалеммы и ее функций: барьерной, рецепторной, транспортной.

  2. Содействовать развитию умений учащихся описывать наблюдения, анализировать, делать выводы, аргументировано объяснять полученные результаты.

  3. Способствовать формированию идеи о единстве происхождения всего живого.

Оборудование, средства обучения: презентация СМАРТ «Цитоплазматическая мембрана», пробирки, стаканы, линейки, картофель, свекла, раствор соли, раствор кислоты, вода, таблица «ЗХУ»

Тип урока: изучение нового материала.

Ход урока:

  1. Организационный момент

  2. Актуализация опорных знаний

Интеллектуальная разминка

  1. Анаграмма (Слайд 1): цитология

  2. Исключи лишнее (Слайд 2):

  1. авторадиография, цитохимия, комплементарность, центрифугирование.

  2. протисты, грибы, растения, бактерии, животные

  1. Дайте общее название предложенным понятиям (Слайд 3)

  1. Цитоплазма + ядро (протопласт эукариот)

  2. Цитоплазма + нуклеоид (протопласт прокариот)

  3. Гиалоплазма + цитоскелет + органоиды + включения (цитоплазма)

  1. Классификация органоидов (Слайд 4): немембранные, одномембранные, двумембранные

  2. Установи последовательность (Слайд 5)

протопласт, клетка, органоид, цитоплазма (органоид, цитоплазма, протопласт, клетка)

  1. Изучение нового материала

  1. Проблемный вопрос: Сможет ли существовать клетка, состоящая только из протопласта? Какой компонент поверхностного аппарата является обязательной частью всех типов клеток? – цитоплазматическая мембрана

  2. Сообщение темы и постановка цели урока

Тема урока – Цитоплазматическая мембрана (плазмалемма) – запись в тетрадь.

Понятие «Цитоплазматическая мембрана» не новое для нас. Давайте вспомним, что вы знаете о цитоплазматической мембране?

Заполнение графы таблицы «Знаю»

Знаю

Хочу знать

Узнал

  1. Поверхностный аппарат клетки

  2. Характерна для всех клеток

  3. Выполняет защитную и транспортную функции

  1. Химический состав

  2. Строение

  3. Свойства

  4. Функции

Для полной характеристики цитоплазматической мембраны, что мы должны еще изучить?

Заполнение графы таблицы «Хочу знать» - постановка цели урока

В конце урока мы вернемся к нашей таблице и заполним графу «Узнал»

3. Химический состав и строение цитоплазматической мембраны (рассказ с использование презентации Слайды 8-12 )

1) Химический состав мембраны (8):

- липиды (фосфолипиды) в среднем 40%

- белки

- углеводы

- гликолипиды

- гликопротеины

Вспомним краткую характеристику каждого типа веществ

2) Строение мембраны

Мембрана – универсальная часть поверхностного аппарата, ограничивающая цитоплазму, имеет толщину 10 нм. Основа мембраны – двойной фосфолипидный слой (9), толщиной 6 нм. Молекулы фосфолипидов имеют полярную гидрофильную головку и неполярные гидрофобные хвосты карбоновых кислот. В мембране головки обращены к наружной и внутренней поверхности мембраны и связываются с водой протопласта (как якоря), а гидрофобные хвосты спрятаны внутрь мембраны. Этот слой проницаем для неполярных молекул, газов, мелких полярных молекул – воды.

Липидный слой не является сплошным. В отдельных местах он пронизывается белковыми молекулами (10), образуя гидрофильные поры. Это интегральные белки. Другие белковые молекулы находятся на внешней и внутренней поверхности мембраны – периферические белки. Сплошного слоя они не образуют. Чаще всего они связаны с интегральными белками.

Белки клеточной поверхности и некоторые липидные молекулы несут ковалентно связанные углеводные компоненты (11), расположенные на наружной стороне мембраны. Эти гликопротеины и гликолипиды, они образуют клеточную оболочку гликокаликс – надмембранный комплекс животной клетки.

Жидкостно-мозаичная модель мембраны (слайд 12). Билипидный слой ведет себя как жидкость, обладающая значительным поверхностным натяжением. Вследствие этого он образует замкнутые полости, которые не спадаются. Молекулы липидов способны быстро диффундировать в боковом направлении в пределах одного монослоя. В бислой мозаично встроены белки. Первоначальный вариант такой модели был предложен в 1972 г. Г. Николсоном и С. Сингером. Жидкостно-мозаичная модель строения мембраны в настоящее время общепринята.

Свойства мембраны:

  1. Текучесть. Мембрана не представляет собой жесткую струк­туру — большая часть входящих в ее состав белков и липидов может перемещаться в плоскости мембраны. Липидный бислой по существу – жидкое образование, в пределах плоскости которого молекулы могут свободно передвигаться – “течь” без потери контактов в силу взаимного притяжения (учитель демонстрирует перетекание жидкости в стенке мыльного пузыря, висящего на пластмассовой трубочке Учитель демонстрирует, как при протыкании мыльного пузыря и последующего извлечения иглы целостность его стенки сразу же восстанавливается). Гидрофобные хвосты могут свободно скользить друг относительно друга.

2. Асимметрия. Состав наружного и внутреннего слоев как белков, так и липидов различен. Кроме того, плазматические мембраны животных клеток снаружи имеют слой гликопротеинов (гликокаликс, выполняющий сигнальную и рецепторную функции, а так­же имеющий значение для объединения клеток в ткани).

3. Полярность. Внешняя сторона мембраны несет положитель­ный заряд, а внутренняя — отрицательный.

4.  Избирательная проницаемость. Мембраны живых клеток
пропускают, помимо воды, лишь определенные молекулы и ио­ны растворенных веществ. (Использование по отношению к мембранам клеток термина «полупроницаемость» не совсем корректно, так как это понятие подразумевает то, что мембрана пропускает только молекулы растворителя, задерживая при этом все молекулы и ионы растворенных веществ.)

4. Функции мембраны

Работа в группах:

  1. Барьерная функция

  1. Работа с учебником стр. 58

  2. Заполнение таблицы

Функция

Характеристика

Компоненты мембраны

Барьерная

Преграда между протопластом и внешней средой

Бифосфолипидный слой

  1. Проведение опыта «Проницаемость мембран живых и мертвых клеток», формулирование вывода

Цель: Сравнить проницаемость мембран живых и мертвых клеток.

Материалы: корнеплод свеклы, пробирки, вода, раствор кислоты.

Ход работы:

В 1-ю пробирку помещают брусок промытой сырой свёклы и доливают 5 мл холодной воды.

Во 2-ю пробирку помещают брусок отварной свёклы и доливают 5 мл холодной воды.

В 3-ю пробирку помещают брусок промытой сырой свёклы и доливают 5 мл 30% раствора уксусной кислоты.

Объясните результаты наблюдений.

  1. Сигнальная и рецепторная функции

1) Работа с учебником стр. 58

2) Заполнение таблицы

Функция

Характеристика

Компоненты мембраны

Сигнальная

Изменение конфигурации в ответ на действие различных факторов среды и передача сигнала внутрь клетки – раздражимость.

Сигнальные белки

Рецепторная

Узнавание определенных веществ и связывание с ними.

Рецепторные белки, гликокаликс (гликопротеины)

  1. Транспортная функция (осмос)

  1. Работа с текстом учебника Лемеза Н.А. стр. 44

2) Заполнение таблицы

Функция

Характеристика

Компоненты мембраны

Транспортная (Осмос)

Диффузия воды через мембрану, вызванная разностью концентраций.

Фосфолипидный слой

  1. Проведение опыта «Осмотические явления в растительных тканях»

Цель: изучить явление осмоса в растительных тканях

Материалы: 3 стакана объемом 50 мл, стеклянная палочка, линейка, клубень картофеля, вода, 1%-й раствор поваренной соли, 35%-й раствор поваренной соли

Ход работы:

В 1-й стакан помещают 3 бруска сырого картофеля длиной 5 см и шириной 1 см и доливают 20 мл холодной воды (гипотонический раствор).

Во 2-й стакан помещают 3 бруска сырого картофеля длиной 5 см и шириной 1 см и доливают 20 мл 1% раствора поваренной соли (изотонический раствор).

В 3-й стакан помещают 3 бруска сырого картофеля длиной 5 см и шириной 1 см и доливают 20 мл 35% раствора поваренной соли (гипертонический раствор).

Через 30 минут производят измерение длины брусков.

Объясните результаты наблюдений.

  1. Закрепление изученного материала

  1. Тонкие и толстые вопросы

Составьте 3 «тонких» и 1 «толстый» вопрос по теме

Обсуждение вопросов

  1. Синквейн «Плазмалемма»

Правила написания синквейна таковы:

На первой строчке записывается одно слово – существительное. Это и есть тема синквейна.

На второй строчке пишутся два прилагательных, раскрывающих тему синквейна.

На третьей строчке записываются три глагола, описывающих действия, относящиеся к теме синквейна.

На четвертой строчке размещается целая фраза, предложение, состоящее из нескольких слов, с помощью которого учащийся характеризует тему в целом, высказывает свое отношение к теме, Таким предложением может быть крылатое выражение, цитата, пословица или составленная самим учащимся фраза в контексте с темой.

Пятая строчка – это слово-резюме, которое дает новую интерпретацию темы, выражает личное отношение учащегося к теме.

  1. Домашнее задание

Параграф 12, стр. 57-58 (Лисов), параграф 11 (Лемеза)

  1. Рефлексия

Определение степени достижения поставленных учебных целей каждым учащимся.

Заполнение графы таблицы «Узнал»

Подведение итогов.

5

Строение клетки

Клетки, образующие ткани растений и животных, значительно различаются по форме, размерам и внутреннему строению. Однако все они обнаруживают сходство в главных чертах процессов жизнедеятельности, обмена веществ, в раздражимости, росте, развитии, способности к изменчивости.

Биологические превращения, происходящие в клетке, неразрывно связаны с теми структурами живой клетки, которые отвечают за выполнение гой или иной функции. Такие структуры получили название органоидов.

Клетки всех типов содержат три основных, неразрывно связанных между собой компонента:

  1. структуры, образующие ее поверхность: наружная мембрана клетки, или клеточная оболочка, или цитоплазматическая мембрана;
  2. цитоплазма с целым комплексом специализированных структур — органоидов (эндоплазматическая сеть, рибосомы, митохондрии и пластиды, комплекс Гольджи и лизосомы, клеточный центр), присутствующих в клетке постоянно, и временных образований, называемых включениями;
  3. ядро — отделено от цитоплазмы пористой мембраной и содержит ядерный сок, хроматин и ядрышко.

Строение клетки

Поверхностный аппарат клетки (цитоплазматическая мембрана) растений и животных имеет некоторые особенности.

У одноклеточных организмов и лейкоцитов наружная мембрана обеспечивает проникновение в клетку ионов, воды, мелких молекул других веществ. Процесс проникновения в клетку твердых частиц называется фагоцитозом, а попадание капель жидких веществ — пиноцитозом.

Наружная плазматическая мембрана регулирует обмен веществ между клеткой и внешней средой.

В клетках эукариот есть органоиды, покрытые двойной мембраной, — митохондрии и пластиды. Они содержат собственные ДНК и синтезирующий белок аппарат, размножаются делением, то есть имеют определенную автономию в клетке. Кроме АТФ, в митохондриях происходит синтез небольшого количества белка. Пластиды свойственны клеткам растений и размножаются путем деления.

Строение клеточной оболочки
Виды клеток Строение и функции наружного и внутреннего слоев клеточной оболочки
наружный слой (хим. состав, функции)

внутренний слой — плазматическая мембрана

химический состав функции
Клетки растений Состоят из клетчатки. Этотслой служит каркасом клетки и выполняет защитную функцию Два слоя белка, между ними — слой липидов Ограничивает внутреннюю среду клетки от внешней и поддерживает эти различия
Клетки животных Наружный слой (гликокаликс) очень тонкий и эластичный. Состоит из полисахаридов и белков. Выполняет защитную функцию. Тоже Специальные ферменты плазматической мембраны регулируют проникновение многих иононов и молекул в клетку и выход их во внешнюю среду

К одномембранным органоидам относятся эндоплазматическая сеть, комплекс Гольджи, лизосомы, различные типы вакуолей.

Современные средства исследования позволили биологам установить, что по строению клетки все живые существа следует делить на организмы «безъядерные» — прокариоты и «ядерные» — эукариоты.

У прокариот-бактерий и сине-зеленых водорослей, а также вирусов имеется всего одна хромосома, представленная молекулой ДНК (реже РНК), расположенной непосредственно в цитоплазме клетки.

Строение органоидов цитоплазмы клетки и их функции
Главные рганоиды Строение Функции
Цитоплазма Внутренняя полужидкая среда мелкозернистой структуры. Содержит ядро и органоиды
  1. Обеспечивает взаимодействие ядра и органоидов
  2. Регулирует скорость биохимических процессов
  3. Выполняет транспортную функцию
ЭПС — эндоплазматическая сеть Система мембран в цитоплазме» образующая каналы и более крупные полости, ЭПС бывает 2-х типов: гранулированная (шероховатая), на которой расположено множество рибосом, и гладкая
  1. Осуществляет реакции, связанные с синтезом белков, углеводов, жиров
  2. Способствует переносу и циркуляции питательных веществ в клетке
  3. Белок синтезируется на гранулированной ЭПС, углеводы и жиры — на гладкой ЭПС
Рибосомы Мелкие тельца диаметром 15—20 мм Осуществляют синтез белковых молекул, их сборку из аминокислот
Митохондрии Имеют сферическую, нитевидную, овальную и другие формы. Внутри митохондрий находятся складки (дл. от 0,2 до 0,7 мкм). Внешний покров митохондрий состоит из 2-х мембран: наружная — гладкая, и внутренняя — образует выросты-кресты, на которых расположены дыхательные ферменты
  1. Обеспечивают клетку энергией. Энергия освобождается при распаде аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ)
  2. Синтез АТФ осуществляется ферментами на мембранах митохондрий
Пластиды — свойственны только клеткам раститений, бывают трех типов: Двумембранные органеллы клетки
хлоропласты Имеют зеленый цвет, овальную форму, ограничены от цитоплазмы двумя трехслойными мембранами. Внутри хлоропласта располагаются грани, где сосредоточен весь хлорофилл Используют световую энергию солнца и создают органические вещества из неорганических
хромопласты Желтые, оранжевые, красные или бурые, образуются в результате накопления каротина Придают различным частям растений красную и желтую окраску
лейкопласты Бесцветные пластиды (содержатся в корнях, клубнях, луковицах) В них откладываются запасные питательные вещества
Комплекс Гольджи Может иметь разную форму и состоит из отграниченных мембранами полостей и отходящих от них трубочек с пузырьками на конце
  1. Накапливает и выводит органические вещества, синтезируемые в эндоплазматической сети
  2. Образует лизосомы
Лизосомы Округлые тельца диаметром около 1 мкм. На поверхности имеют мембрану (кожицу), внутри которой находится комплекс ферментов Выполняют пищеварительную функцию — переваривают пищевые частицы и удаляют отмершие органоиды
Органоиды движения клеток
  1. Жгутики и реснички, представляющие из себя выросты клетки и имеющие однотипное строение у животных и растений
  2. Миофибриллы — тонкие нити длиной более 1 см диаметром 1 мкм, расположенные пучками вдоль мышечного волокна
  3. Псевдоподии
  1. Выполняют функцию движения
  2. За счет их происходит сокращение мышц
  3. Передвижение за счет сокращения особого сократительного белка
Клеточные включения Это непостоянные компоненты клетки — углеводы, жиры и белки Запасные питательные вещества, используемые в процессе жизнедеятельности клетки
Клеточный центр Состоит из двух маленьких телец — центриолей и центросферы — уплотненного участка цитоплазмы Играет важную роль при делении клеток

Эукариоты обладают большим богатством органоидов, имеют ядра, содержащие хромосомы в виде нуклеопротеидов (комплекс ДНК с белком гистоном). К эукариотам относятся большинство современных растений и животных как одноклеточных, так и многоклеточных.

Выделяют два уровня клеточной организации:

  • прокариотический — их организмы очень просто устроены — это одноклеточные или колониальные формы, составляющие царство дробянок, синезеленых водорослей и вирусов
  • эукариотический — одноклеточные колониальные и многоклеточные формы, от простейших — корненожки, жгутиковые, инфузории — до высших растений и животных, составляющие царство растений, царство грибов, царство животных

Особенности клеточного строения прокариотов н эукариотов

Строение и функции ядра клетки
Главные органоиды Строение Функции
Ядро растительной и животной клетки Округлой или овальной формы
Ядерная оболочка состоит из 2-х мембран с порами
  1. Отграничивает ядро от цитоплазмы
  2. Осуществляется обмен между ядром и цитоплазмой
Ядерный сок (кариоплазма) — полужидкое вещество Среда, в которой находятся ядрышки и хромосомы
Ядрышки сферической или неправильной формы В них синтезируется РНК, которая входит в состав рибосомы
Хромосомы — плотные удлиненные или нитевидные образования, видимые только при делении клетки Содержат ДНК, в которой заключена наследственная информация, передающаяся из поколения в поколение

Все органоиды клетки, несмотря на особенности их строения и функций, находятся во взаимосвязи и «работают» на клетку, как на единую систему, в которой связующим звеном является цитоплазма.

Особые биологические объекты, занимающие промежуточное положение между живой и неживой природой, представляют собой вирусы, открытые в 1892 г. Д. И. Ивановским, они составляют в настоящее время объект особой науки — вирусологии.

Вирусы размножаются только в клетках растений, животных и человека, вызывая различные заболевания. Вирусы имеют очень прослое строение и состоят из нуклеиновой кислоты (ДНК или РНК) и белковой оболочки. Вне клеток хозяина вирусная частица не проявляет никаких жизненных функций: не питается, не дышит, не растет, не размножается.


Клетка как биологическая система (соответствие) | ЕГЭ по биологии

Строение клетки. Взаимосвязь строения и функций частей и органоидов клетки — основа ее целостности

Строение клетки

Строение прокариотических и эукариотических клеток

Основными структурными компонентами клеток являются плазматическая мембрана, цитоплазма и наследственный аппарат. В зависимости от особенностей организации различают два основных типа клеток: прокариотические и эукариотические. Главным отличием прокариотических клеток от эукариотических является организация их наследственного аппарата: у прокариот он находится непосредственно в цитоплазме (эта область цитоплазмы называется нуклеоидом) и не отделен от нее мембранными структурами, тогда как у эукариот бульшая часть ДНК сосредоточена в ядре, окруженном двойной мембраной. Кроме того, генетическая информация прокариотических клеток, находящаяся в нуклеоиде, записана в кольцевой молекуле ДНК, а у эукариот молекулы ДНК незамкнутые.

В отличие от эукариот, цитоплазма прокариотических клеток содержит также небольшое количество органоидов, тогда как для эукариотических характерно значительное разнообразие этих структур.

Строение и функции биологических мембран

Строение биомембраны. Мембраны, ограничивающие клетки и мембранные органоиды эукариотических клеток, имеют общий химический состав и строение. В их состав входят липиды, белки и углеводы. Липиды мембраны представлены в основном фосфолипидами и холестерином. Большинство белков мембран относится к сложным белкам, например гликопротеинам. Углеводы не встречаются в мембране самостоятельно, они связаны с белками и липидами. Толщина мембран составляет 7–10 нм.

Согласно общепринятой в настоящее время жидкостно-мозаичной модели строения мембран, липиды образуют двойной слой, или липидный бислой, в котором гидрофильные «головки» молекул липидов обращены наружу, а гидрофобные «хвосты» спрятаны вовнутрь мембраны. Эти «хвосты» благодаря своей гидрофобности обеспечивают разделение водных фаз внутренней среды клетки и ее окружения. С липидами с помощью различных типов взаимодействия связаны белки. Часть белков расположена на поверхности мембраны. Такие белки называют периферическими, или поверхностными. Другие белки частично или полностью погружены в мембрану — это интегральные, или погруженные белки. Белки мембран выполняют структурную, транспортную, каталитическую, рецепторную и другие функции.

Мембраны не похожи на кристаллы, их компоненты постоянно находятся в движении, вследствие чего между молекулами липидов возникают разрывы — поры, через которые в клетку могут попадать или покидать ее различные вещества.

Биологические мембраны различаются по расположению в клетке, химическому составу и выполняемым функциям. Основные типы мембран — плазматическая и внутренние. Плазматическая мембрана содержит около 45 % липидов (в т. ч. гликолипидов), 50 % белков и 5 % углеводов. Цепочки углеводов, входящих в состав сложных белков-гликопротеинов и сложных липидов-гликолипидов, выступают над поверхностью мембраны. Гликопротеины плазмалеммы чрезвычайно специфичны. Так, например, по ним происходит взаимное узнавание клеток, в том числе сперматозоида и яйцеклетки.

На поверхности животных клеток углеводные цепочки образуют тонкий поверхностный слой — гликокаликс. Он выявлен почти во всех животных клетках, но степень его выраженности неодинакова (10–50 мкм). Гликокаликс обеспечивает непосредственную связь клетки с внешней средой, в нем происходит внеклеточное пищеварение; в гликокаликсе размещены рецепторы. Клетки бактерий, растений и грибов, помимо плазмалеммы, окружены еще и клеточными оболочками.

Внутренние мембраны эукариотических клеток разграничивают различные части клетки, образуя своеобразные «отсеки» — компартменты, что способствует разделению различных процессов обмена веществ и энергии. Они могут различаться по химическому составу и выполняемым функциям, но общий план строения у них сохраняется.

Функции мембран:

  1. Ограничивающая. Заключается в том, что они отделяют внутреннее пространство клетки от внешней среды. Мембрана является полупроницаемой, то есть ее свободно преодолевают только те вещества, которые необходимы клетке, при этом существуют механизмы транспорта необходимых веществ.
  2. Рецепторная. Связана в первую очередь с восприятием сигналов окружающей среды и передачей этой информации внутрь клетки. За эту функцию отвечают специальные белки-рецепторы. Мембранные белки отвечают еще и за клеточное узнавание по принципу «свой-чужой», а также за образование межклеточных соединений, наиболее изученными из которых являются синапсы нервных клеток.
  3. Каталитическая. На мембранах расположены многочисленные ферментные комплексы, вследствие чего на них происходят интенсивные синтетические процессы.
  4. Энерготрансформирующая. Связана с образованием энергии, ее запасанием в виде АТФ и расходованием.
  5. Компартментализация. Мембраны разграничивают также пространство внутри клетки, разделяя тем самым исходные вещества реакции и ферменты, которые могут осуществлять соответствующие реакции.
  6. Образование межклеточных контактов. Несмотря на то, что толщина мембраны настолько мала, что ее невозможно различить невооруженным глазом, она, с одной стороны, служит достаточно надежным барьером для ионов и молекул, в особенности водорастворимых, а с другой — обеспечивает их перенос в клетку и наружу.
  7. Транспортная.

Мембранный транспорт. В связи с тем, что клетки как элементарные биологические системы являются открытыми системами, для обеспечения обмена веществ и энергии, поддержания гомеостаза, роста, раздражимости и других процессов требуется перенос веществ через мембрану — мембранный транспорт. В настоящее время транспорт веществ через мембрану клетки делят на активный, пассивный, эндо- и экзоцитоз.

Пассивный транспорт — это вид транспорта, который происходит без затраты энергии от большей концентрации к меньшей. Растворимые в липидах небольшие неполярные молекулы (О2, СО2) легко проникают в клетку путем простой диффузии. Нерастворимые же в липидах, в том числе заряженные небольшие частицы, подхватываются белкамипереносчиками или проходят через специальные каналы (глюкоза, аминокислоты, К+, PO43-). Такой вид пассивного транспорта называется облегченной диффузией. Вода поступает в клетку через поры в липидной фазе, а также по специальным каналам, выстланным белками. Транспорт воды через мембрану называется осмосом.

Осмос имеет чрезвычайно важное значение в жизни клетки, так как если ее поместить в раствор с более высокой концентрацией солей, чем в клеточном растворе, то вода начнет выходить из клетки, и объем живого содержимого начнет уменьшаться. У животных клеток происходит съеживание клетки в целом, а у растительных — отставание цитоплазмы от клеточной стенки, которое называется плазмолизом. При помещении клетки в менее концентрированный, чем цитоплазма, раствор, транспорт воды происходит в обратном направлении — в клетку. Однако существуют пределы растяжимости цитоплазматической мембраны, и животная клетка в конце концов разрывается, а у растительной этого не позволяет сделать прочная клеточная стенка. Явление заполнения клеточным содержимым всего внутреннего пространства клетки называется деплазмолизом. Внутриклеточную концентрацию солей следует учитывать при приготовлении лекарственных препаратов, особенно для внутривенного введения, так как это может приводить к повреждению клеток крови (для этого используют физиологический раствор с концентрацией 0,9 % хлорида натрия). Это не менее важно при культивировании клеток и тканей, а также органов животных и растений.

Активный транспорт протекает с затратой энергии АТФ от меньшей концентрации вещества к большей. Он осуществляется с помощью специальных белков-насосов. Белки перекачивают через мембрану ионы К+, Na+, Са2+ и другие, что способствует транспорту важнейших органических веществ, а также возникновению нервных импульсов и т. д.

Эндоцитоз — это активный процесс поглощения веществ клеткой, при котором мембрана образует впячивания, а затем формирует мембранные пузырьки — фагосомы, в которых заключены поглощаемые объекты. Затем с фагосомой сливается первичная лизосома, и образуется вторичная лизосома, или фаголизосома, или пищеварительная вакуоль. Содержимое пузырька расщепляется ферментами лизосом, а продукты расщепления поглощаются и усваиваются клеткой. Непереваренные остатки удаляются из клетки путем экзоцитоза. Различают два основных вида эндоцитоза: фагоцитоз и пиноцитоз.

Фагоцитоз — это процесс захвата клеточной поверхностью и поглощения клеткой твердых частиц, а пиноцитоз — жидкости. Фагоцитоз протекает в основном в животных клетках (одноклеточные животные, лейкоциты человека), он обеспечивает их питание, а часто и защиту организма . Путем пиноцитоза происходит поглощение белков, комплексов антиген-антитела в процессе иммунных реакций и т. д. Однако путем пиноцитоза или фагоцитоза в клетку также попадают многие вирусы. В клетках растений и грибов фагоцитоз практически невозможен, так как они окружены прочными клеточными оболочками.

Экзоцитоз — процесс, обратный эндоцитозу. Таким образом выделяются непереваренные остатки пищи из пищеварительных вакуолей, выводятся необходимые для жизнедеятельности клетки и организма в целом вещества. Например, передача нервных импульсов происходит благодаря выделению посылающим импульс нейроном химических посредников — медиаторов, а в растительных клетках так выделяются вспомогательные углеводы клеточной оболочки.

Клеточные оболочки клеток растений, грибов и бактерий. Снаружи от мембраны клетка может выделять прочный каркас — клеточную оболочку, или клеточную стенку.

У растений основу клеточной оболочки составляет целлюлоза, упакованная в пучки по 50–100 молекул. Промежутки между ними заполняют вода и другие углеводы. Оболочка растительной клетки пронизана канальцами — плазмодесмами, через которые проходят мембраны эндоплазматической сети. По плазмодесмам осуществляется транспорт веществ между клетками. Однако транспорт веществ, например воды, может происходить и по самим клеточным стенкам. Со временем в клеточной оболочке растений накапливаются различные вещества, в том числе дубильные или жироподобные, что приводит к одревеснению или опробковению самой клеточной стенки, вытеснению воды и отмиранию клеточного содержимого. Между клеточными стенками соседних клеток растений располагаются желеобразные прокладки — срединные пластинки, которые скрепляют их между собой и цементируют тело растения в целом. Они разрушаются только в процессе созревания плодов и при опадании листьев.

Клеточные стенки клеток грибов образованы хитином — углеводом, содержащим азот. Они достаточно прочны и являются внешним скелетом клетки, но все же, как и у растений, препятствуют фагоцитозу.

У бактерий в состав клеточной стенки входит углевод с фрагментами пептидов — муреин, однако его содержание существенно различается у разных групп бактерий. Поверх от клеточной стенки могут выделяться также иные полисахариды, образующие слизистую капсулу, защищающую бактерии от внешних воздействий.

Оболочка определяет форму клетки, служит механической опорой, выполняет защитную функцию, обеспечивает осмотические свойства клетки, ограничивая растяжение живого содержимого и предотвращая разрыв клетки, увеличивающейся вследствие поступления воды. Кроме того, клеточную стенку преодолевают вода и растворенные в ней вещества, прежде чем попасть в цитоплазму или, наоборот, при выходе из нее, при этом по клеточным стенкам вода транспортируется быстрее, чем по цитоплазме.

Цитоплазма

Цитоплазма — это внутреннее содержимое клетки. В нее погружены все органоиды клетки, ядро и разнообразные продукты жизнедеятельности.

Цитоплазма связывает все части клетки между собой, в ней протекают многочисленные реакции обмена веществ. Цитоплазма отделяется от окружающей среды и делится на отсеки мембранами, то есть клеткам присуще мембранное строение. Она может находиться в двух состояниях — золя и геля. Золь — это полужидкое, киселеобразное состояние цитоплазмы, при котором процессы жизнедеятельности протекают наиболее интенсивно, а гель — более плотное, студнеобразное состояние, затрудняющее протекание химических реакций и транспорт веществ.

Жидкая часть цитоплазмы без органоидов называется гиалоплазмой. Гиалоплазма, или цитозоль, представляет собой коллоидный раствор, в котором находится своеобразная взвесь достаточно крупных частиц, например белков, окруженных диполями молекул воды. Осаждения этой взвеси не происходит вследствие того, что они имеют одинаковый заряд и отталкиваются друг от друга.

Органоиды

Органоиды — это постоянные компоненты клетки, выполняющие определенные функции.

В зависимости от особенностей строения их делят на мембранные и немембранные. Мембранные органоиды, в свою очередь, относят к одномембранным (эндоплазматическая сеть, комплекс Гольджи и лизосомы) или двумембранным (митохондрии, пластиды и ядро). Немембранными органоидами являются рибосомы, микротрубочки, микрофиламенты и клеточный центр. Прокариотам из перечисленных органоидов присущи только рибосомы.

Строение и функции ядра. Ядро — крупный двумембранный органоид, лежащий в центре клетки или на ее периферии. Размеры ядра могут колебаться в пределах 3–35 мкм. Форма ядра чаще сферическая или эллипсоидная, однако имеются также палочковидные, веретеновидные, бобовидные, лопастные и даже сегментированные ядра. Некоторые исследователи считают, что форма ядра соответствует форме самой клетки.

Большинство клеток имеет одно ядро, но, например, в клетках печени и сердца их может быть два, а в ряде нейронов — до 15. Волокна скелетных мышц содержат обычно много ядер, однако они не являются клетками в полном смысле этого слова, поскольку образуются в результате слияния нескольких клеток.

Ядро окружено ядерной оболочкой, а его внутреннее пространство заполнено ядерным соком, или нуклеоплазмой (кариоплазмой), в которую погружены хроматин и ядрышко. Ядро выполняет такие важнейшие функции, как хранение и передача наследственной информации, а также контроль жизнедеятельности клетки.

Роль ядра в передаче наследственной информации была убедительно доказана в экспериментах с зеленой водорослью ацетабулярией. В единственной гигантской клетке, достигающей в длину 5 см, различают шляпку, ножку и ризоид. При этом она содержит только одно ядро, расположенное в ризоиде. В 1930-е годы И. Хеммерлинг пересадил ядро одного вида ацетабулярии с зеленой окраской в ризоид другого вида, с коричневой окраской, у которого ядро было удалено. Через некоторое время у растения с пересаженным ядром выросла новая шляпка, как у водоросли- донора ядра. В то же время отделенные от ризоида шляпка или ножка, не содержащие ядра, через некоторое время погибали.

Ядерная оболочка образована двумя мембранами — наружной и внутренней, между которыми есть пространство. Межмембранное пространство сообщается с полостью шероховатой эндоплазматической сети, а наружная мембрана ядра может нести рибосомы. Ядерная оболочка пронизана многочисленными порами, окантованными специальными белками. Через поры происходит транспорт веществ: в ядро попадают необходимые белки (в т. ч. ферменты), ионы, нуклеотиды и другие вещества, и покидают его молекулы РНК, отработанные белки, субъ единицы рибосом. Таким образом, функциями ядерной оболочки являются отделение содержимого ядра от цитоплазмы, а также регуляция обмена веществ между ядром и цитоплазмой.

Нуклеоплазмой называют содержимое ядра, в которое погружены хроматин и ядрышко. Она представляет собой коллоидный раствор, по химическому составу напоминающий цитоплазму. Ферменты нуклеоплазмы катализируют обмен аминокислот, нуклеотидов, белков и др. Нуклеоплазма связана с гиалоплазмой через ядерные поры. Функции нуклеоплазмы, как и гиалоплазмы, состоят в обеспечении взаимосвязи всех структурных компонентов ядра и осуществлении ряда ферментных реакций.

Хроматином называют совокупность тонких нитей и гранул, погруженных в нуклеоплазму. Выявить его можно только при окрашивании, так как коэффициенты преломления хроматина и нуклеоплазмы приблизительно одинаковы. Нитчатый компонент хроматина называют эухроматином, а гранулярный — гетерохроматином. Эухроматин слабо уплотнен, поскольку с него считывается наследственная информация, тогда как более спирализованный гетерохроматин является генетически неактивным.

Хроматин представляет собой структурное видоизменение хромосом в неделящемся ядре. Таким образом, хромосомы постоянно присутствуют в ядре, изменяется лишь их состояние в зависимости от функции, которую ядро выполняет в данный момент.

В состав хроматина в основном входят белки-нуклеопротеины (дезоксирибонуклеопротеины и рибонуклеопротеины), а также ферменты, важнейшие из которых связаны с синтезом нуклеиновых кислот, и некоторые другие вещества.

Функции хроматина состоят, во-первых, в синтезе специфических для данного организма нуклеиновых кислот, которые направляют синтез специфических белков, во-вторых, в передаче наследственных свойств от материнской клетки дочерним, для чего хроматиновые нити в процессе деления упаковываются в хромосомы.

Ядрышко — сферическое, хорошо заметное под микроскопом тельце диаметром 1–3 мкм. Оно формируется на участках хроматина, в которых закодирована информация о структуре рРНК и белках рибосом. Ядрышко в ядре часто одно, однако в тех клетках, где происходят интенсивные процессы жизнедеятельности, ядрышек может быть два и более. Функции ядрышек — синтез рРНК и сборка субъединиц рибосом путем объединения рРНК с белками, поступающими из цитоплазмы.

Митохондрии — двумембранные органоиды округлой, овальной или палочковидной формы, хотя встречаются и спиралевидные (в сперматозоидах). Диаметр митохондрий составляет до 1 мкм, а длина — до 7 мкм. Пространство внутри митохондрий заполнено матриксом. Матрикс — это основное вещество митохондрий. В него погружены кольцевая молекула ДНК и рибосомы. Наружная мембрана митохондрий гладкая, она непроницаема для многих веществ. Внутренняя мембрана имеет выросты — кристы, увеличивающие площадь поверхности мембран для протекания химических реакций. На поверхности мембраны расположены многочисленные белковые комплексы, составляющие так называемую дыхательную цепь, а также грибовидные ферменты АТФ-синтетазы. В митохондриях протекает аэробный этап дыхания, в ходе которого происходит синтез АТФ.

Пластиды — крупные двумембранные органоиды, характерные только для растительных клеток. Внутреннее пространство пластид заполнено стромой, или матриксом. В строме находится более или менее развитая система мембранных пузырьков — тилакоидов, которые собраны в стопки — граны, а также собственная кольцевая молекула ДНК и рибосомы. Различают четыре основных типа пластид: хлоропласты, хромопласты, лейкопласты и пропластиды.

Хлоропласты — это зеленые пластиды диаметром 3–10 мкм, хорошо различимые под микроскопом. Они содержатся только в зеленых частях растений — листьях, молодых стеблях, цветках и плодах. Хлоропласты в основном имеют овальную или эллипсоидную формы, но могут быть также чашевидными, спиралевидными и даже лопастными. Количество хлоропластов в клетке в среднем составляет от 10 до 100 штук. Однако, например, у некоторых водорослей он может быть один, иметь значительные размеры и сложную форму — тогда его называют хроматофором. В других случаях количество хлоропластов может достигать нескольких сотен, при этом их размеры невелики. Окраска хлоропластов обусловлена основным пигментом фотосинтеза — хлорофиллом, хотя в них содержатся и дополнительные пигменты — каротиноиды. Каротиноиды становятся заметными только осенью, когда хлорофилл в стареющих листьях разрушается. Основной функцией хлоропластов является фотосинтез. Световые реакции фотосинтеза протекают на мембранах тилакоидов, на которых закреплены молекулы хлорофилла, а темновые реакции — в строме, где содержатся многочисленные ферменты.

Хромопласты — это желтые, оранжевые и красные пластиды, содержащие пигменты каротиноиды. Форма хромопластов может также существенно варьировать: они бывают трубчатыми, сферическими, кристаллическими и др. Хромопласты придают окраску цветкам и плодам растений, привлекая опылителей и распространителей семян и плодов.

Лейкопласты — это белые или бесцветные пластиды в основном округлой или овальной формы. Они распространены в нефотосинтезирующих частях растений, например в кожице листа, клубнях картофеля и т. д. В них откладываются в запас питательные вещества, чаще всего крахмал, но у некоторых растений это могут быть белки или масло.

Пластиды образуются в растительных клетках из пропластид, которые имеются уже в клетках образовательной ткани и представляют собой небольшие двумембранные тельца. На ранних этапах развития разные виды пластид способны превращаться друг в друга: при попадании на свет лейкопласты клубня картофеля и хромопласты корнеплода моркови зеленеют.

Пластиды и митохондрии называют полуавтономными органоидами клетки, так как они имеют собственные молекулы ДНК и рибосомы, осуществляют синтез белка и делятся независимо от деления клеток. Эти особенности объясняются происхождением от одноклеточных прокариотических организмов. Однако «самостоятельность » митохондрий и пластид является ограниченной, так как их ДНК содержит слишком мало генов для свободного существования, остальная же информация закодирована в хромосомах ядра, что позволяет ему контролировать данные органоиды.

Эндоплазматическая сеть (ЭПС), или эндоплазматический ретикулум (ЭР), — это одномембранный органоид, представляющий собой сеть мембранных полостей и канальцев, занимающих до 30 % содержимого цитоплазмы. Диаметр канальцев ЭПС составляет около 25–30 нм. Различают два вида ЭПС — шероховатую и гладкую. Шероховатая ЭПС несет рибосомы, на ней происходит синтез белков. Гладкая ЭПС лишена рибосом. Ее функция — синтез липидов и углеводов, а также транспорт, запасание и обезвреживание токсических веществ. Она особенно развита в тех клетках, где происходят интенсивные процессы обмена веществ, например в клетках печени — гепатоцитах — и волокнах скелетных мышц. Вещества, синтезированные в ЭПС, транспортируются в аппарат Гольджи. В ЭПС происходит также сборка мембран клетки, однако их формирование завершается в аппарате Гольджи.

Аппарат Гольджи, или комплекс Гольджи, — одномембранный органоид, образованный системой плоских цистерн, канальцев и отшнуровывающихся от них пузырьков. Структурной единицей аппарата Гольджи является диктиосома — стопка цистерн, на один полюс которой приходят вещества из ЭПС, а с противоположного полюса, подвергшись определенным превращениям, они упаковываются в пузырьки и направляются в другие части клетки. Диаметр цистерн — порядка 2 мкм, а мелких пузырьков — около 20–30 мкм. Основные функции комплекса Гольджи — синтез некоторых веществ и модификация (изменение) белков, липидов и углеводов, поступающих из ЭПС, окончательное формирование мембран, а также транспорт веществ по клетке, обновление ее структур и образование лизосом. Свое название аппарат Гольджи получил в честь итальянского ученого Камилло Гольджи, впервые обнаружившего данный органоид (1898).

Лизосомы — небольшие одномембранные органоиды до 1 мкм в диаметре, в которых содержатся гидролитические ферменты, участвующие во внутриклеточном пищеварении. Мембраны лизосом слабопроницаемы для этих ферментов, поэтому выполнение лизосомами своих функций происходит очень точно и адресно. Так, они принимают активное участие в процессе фагоцитоза, образуя пищеварительные вакуоли, а в случае голодания или повреждения определенных частей клетки переваривают их, не затрагивая иных. Недавно была открыта роль лизосом в процессах клеточной гибели.

Вакуоль — это полость в цитоплазме растительных и животных клеток, ограниченная мембраной и заполненная жидкостью. В клетках простейших обнаруживаются пищеварительные и сократительные вакуоли. Первые принимают участие в процессе фагоцитоза, так как в них происходит расщепление питательных веществ. Вторые обеспечивают поддержание водно-солевого баланса за счет осморегуляции. У многоклеточных животных в основном встречаются пищеварительные вакуоли.

В растительных клетках вакуоли присутствуют всегда, они окружены специальной мембраной и заполнены клеточным соком. Мембрана, окружающая вакуоль, по химическому составу, строению и выполняемым функциям близка к плазматической мембране. Клеточный сок представляет собой водный раствор различных неорганических и органических веществ, в том числе минеральных солей, органических кислот, углеводов, белков, гликозидов, алкалоидов и др. Вакуоль может занимать до 90 % объема клетки и оттеснять ядро на периферию. Эта часть клетки выполняет запасающую, выделительную, осмотическую, защитную, лизосомную и другие функции, поскольку в ней накапливаются питательные вещества и отходы жизнедеятельности, она обеспечивает поступление воды и поддержание формы и объема клетки, а также содержит ферменты расщепления многих компонентов клетки. К тому же биологически активные вещества вакуолей способны препятствовать поеданию этих растений многими животными. У ряда растений за счет разбухания вакуолей происходит рост клетки растяжением.

Вакуоли имеются также и в клетках некоторых грибов и бактерий, однако у грибов они выполняют только функцию осморегуляции, а у цианобактерий поддерживают плавучесть и участвуют в процессах усвоения азота из воздуха.

Рибосомы — небольшие немембранные органоиды диаметром 15–20 мкм, состоящие из двух субъединиц — большой и малой. Субъединицы рибосом эукариот собираются в ядрышке, а затем транспортируются в цитоплазму. Рибосомы прокариот, митохондрий и пластид меньше по величине, чем рибосомы эукариот. В состав субъединиц рибосом входят рРНК и белки.

Количество рибосом в клетке может достигать нескольких десятков миллионов: в цитоплазме, митохондриях и пластидах они находятся в свободном состоянии, а на шероховатой ЭПС — в связанном. Они принимают участие в синтезе белка, в частности, осуществляют процесс трансляции — биосинтеза полипептидной цепи на молекуле иРНК. На свободных рибосомах синтезируются белки гиалоплазмы, митохондрий, пластид и собственные белки рибосом, тогда как на прикрепленных к шероховатой ЭПС рибосомах осуществляется трансляция белков для выведения из клеток, сборки мембран, образования лизосом и вакуолей.

Рибосомы могут находиться в гиалоплазме поодиночке или собираться в группы при одновременном синтезе на одной иРНК сразу нескольких полипептидных цепей. Такие группы рибосом называются полирибосомами, или полисомами.

Микротрубочки — это цилиндрические полые немембранные органоиды, которые пронизывают всю цитоплазму клетки. Их диаметр составляет около 25 нм, толщина стенки — 6–8 нм. Они образованы многочисленными молекулами белка тубулина, которые сначала формируют 13 нитей, напоминающих бусы, а затем собираются в микротрубочку. Микротрубочки образуют цитоплазматическую сеть, которая придает клетке форму и объем, связывают плазматическую мембрану с другими частями клетки, обеспечивают транспорт веществ по клетке, принимают участие в движении клетки и внутриклеточных компонентов, а также в делении генетического материала. Они входят в состав клеточного центра и органоидов движения — жгутиков и ресничек.

Микрофиламенты, или микронити, также являются немембранными органоидами, однако они имеют нитевидную форму и образованы не тубулином, а актином. Они принимают участие в процессах мембранного транспорта, межклеточном узнавании, делении цитоплазмы клетки и в ее движении. В мышечных клетках взаимодействие актиновых микрофиламентов с миозиновыми нитями обеспечивает сокращение.

Микротрубочки и микрофиламенты образуют внутренний скелет клетки — цитоскелет. Он представляет собой сложную сеть волокон, обеспечивающих механическую опору для плазматической мембраны, определяет форму клетки, расположение клеточных органоидов и их перемещение в процессе деления клетки.

Клеточный центр — немембранный органоид, располагающийся в животных клетках вблизи ядра; в растительных клетках он отсутствует. Его длина составляет около 0.2–0.3 мкм, а диаметр — 0.1–0.15 мкм. Клеточный центр образован двумя центриолями, лежащими во взаимно перпендикулярных плоскостях, и лучистой сферой из микротрубочек. Каждая центриоль образована девятью группами микротрубочек, собранных по три, т. е. триплетами. Клеточный центр принимает участие в процессах сборки микротрубочек, делении наследственного материала клетки, а также в образовании жгутиков и ресничек.

Органоиды движения. Жгутики и реснички представляют собой выросты клетки, покрытые плазмалеммой. Основу этих органоидов составляют девять пар микротрубочек, расположенных по периферии, и две свободные микротрубочки в центре. Микротрубочки связаны между собой различными белками, обеспечивающими их согласованное отклонение от оси — колебание. Колебания энергозависимы, то есть на этот процесс тратится энергия макроэргических связей АТФ. Восстановление утраченных жгутиков и ресничек является функцией базальных телец, или кинетосом, расположенных в их основании.

Длина ресничек составляет около 10–15 нм, а жгутиков — 20–50 мкм. За счет строго направленных движений жгутиков и ресничек осуществляется не только движение одноклеточных животных, сперматозоидов и др., но и происходит очистка дыхательных путей, продвижение яйцеклетки по маточным трубам, поскольку все эти части организма человека выстланы реснитчатым эпителием.

Включения

Включения — это непостоянные компоненты клетки, которые образуются и исчезают в процессе ее жизнедеятельности. К ним относят как запасные вещества, например, зерна крахмала или белка в растительных клетках, гранулы гликогена в клетках животных и грибов, волютина у бактерий, капли жира во всех типах клеток, так и отходы жизнедеятельности, в частности, непереваренные в результате фагоцитоза остатки пищи, образующие так называемые остаточные тельца.

Взаимосвязь строения и функций частей и органоидов клетки — основа ее целостности

Каждая из частей клетки, с одной стороны, является обособленной структурой со специфическим строением и функциями, а с другой — компонентом более сложной системы, называемой клеткой. Бульшая часть наследственной информации эукариотической клетки сосредоточена в ядре, однако само ядро не в состоянии обеспечить ее реализацию, поскольку для этого необходимы как минимум цитоплазма, выступающая как основное вещество, и рибосомы, на которых и происходит этот синтез. Большинство рибосом расположено на гранулярной эндоплазматической сети, откуда белки чаще всего транспортируются в комплекс Гольджи, а затем после модификации — в те части клетки, для которых они предназначены, или выводятся наружу. Мембранные упаковки белков и углеводов могут встраиваться в мембраны органоидов и цитоплазматическую мембрану, обеспечивая их постоянное обновление. От комплекса Гольджи отшнуровываются также выполняющие важнейшие функции лизосомы и вакуоли. Например, без лизосом клетки быстро превратились бы в свое образную свалку отработанных молекул и структур.

Протекание всех этих процессов требует энергии, вырабатываемой митохондриями, а у растений — и хлоропластами. И хотя эти органоиды являются относительно автономными, т. к. имеют собственные молекулы ДНК, часть их белков все равно кодируется ядерным геномом и синтезируется в цитоплазме.

Таким образом, клетка представляет собой неразрывное единство составляющих ее компонентов, каждый из которых выполняет свою уникальную функцию.

Обмен веществ и превращения энергии — свойства живых организмов. Энергетический и пластический обмен, их взаимосвязь. Стадии энергетического обмена. Брожение и дыхание. Фотосинтез, его значение, космическая роль. Фазы фотосинтеза. Световые и темновые реакции фотосинтеза, их взаимосвязь. Хемосинтез. Роль хемосинтезирующих бактерий на Земле

Обмен веществ и превращения энергии — свойства живых организмов

Клетку можно уподобить миниатюрной химической фабрике, на которой происходят сотни и тысячи химических реакций.

Обмен веществ — совокупность химических превращений, направленных на сохранение и самовоспроизведение биологических систем.

Он включает в себя поступление веществ в организм в процессе питания и дыхания, внутриклеточный обмен веществ, или метаболизм, а также выделение конечных продуктов обмена.

Обмен веществ неразрывно связан с процессами превращения одних видов энергии в другие. Например, в процессе фотосинтеза световая энергия запасается в виде энергии химических связей сложных органических молекул, а в процессе дыхания она высвобождается и расходуется на синтез новых молекул, механическую и осмотическую работу, рассеивается в виде тепла и т. д.

Протекание химических реакций в живых организмах обеспечивается благодаря биологическим катализаторам белковой природы — ферментам, или энзимам. Как и другие катализаторы, ферменты ускоряют протекание химических реакций в клетке в десятки и сотни тысяч раз, а иногда и вообще делают их возможными, но не изменяют при этом ни природы, ни свойств конечного продукта (продуктов) реакции и не изменяются сами. Ферменты могут быть как простыми, так и сложными белками, в состав которых, кроме белковой части, входит и небелковая — кофактор (кофермент). Примерами ферментов являются амилаза слюны, расщепляющая полисахариды при длительном пережевывании, и пепсин, обеспечивающий переваривание белков в желудке.

Ферменты отличаются от катализаторов небелковой природы высокой специфичностью действия, значительным увеличением с их помощью скорости реакции, а также возможностью регуляции действия за счет изменения условий протекания реакции либо взаимодействия с ними различных веществ. К тому же и условия, в которых протекает ферментный катализ, существенно отличаются от тех, при которых идет неферментный: оптимальной для функционирования ферментов в организме человека является температура $37°С$, давление должно быть близким к атмосферному, а $рН$ среды может существенно колебаться. Так, для амилазы необходима щелочная среда, а для пепсина — кислая.

Механизм действия ферментов заключается в снижении энергии активации веществ (субстратов), вступающих в реакцию, за счет образования промежуточных фермент-субстратных комплексов.

Энергетический и пластический обмен, их взаимосвязь

Метаболизм складывается из двух одновременно протекающих в клетке процессов: пластического и энергетического обменов.

Пластический обмен (анаболизм, ассимиляция) представляет собой совокупность реакций синтеза, которые идут с затратой энергии АТФ. В процессе пластического обмена синтезируются органические вещества, необходимые клетке. Примером реакций пластического обмена являются фотосинтез, биосинтез белка и репликация (самоудвоение) ДНК.

Энергетический обмен (катаболизм, диссимиляция) — это совокупность реакций расщепления сложных веществ до более простых. В результате энергетического обмена выделяется энергия, запасаемая в виде АТФ. Наиболее важными процессами энергетического обмена являются дыхание и брожение.

Пластический и энергетический обмены неразрывно связаны, поскольку в процессе пластического обмена синтезируются органические вещества и для этого необходима энергия АТФ, а в процессе энергетического обмена органические вещества расщепляются и высвобождается энергия, которая затем будет израсходована на процессы синтеза.

Энергию организмы получают в процессе питания, а высвобождают ее и переводят в доступную форму в основном в процессе дыхания. По способу питания все организмы делятся на автотрофов и гетеротрофов. Автотрофы способны самостоятельно синтезировать органические вещества из неорганических, а гетеротрофы используют исключительно готовые органические вещества.

Стадии энергетического обмена

Несмотря на всю сложность реакций энергетического обмена, его условно подразделяют на три этапа: подготовительный, анаэробный (бескислородный) и аэробный (кислородный).

На подготовительном этапе молекулы полисахаридов, липидов, белков, нуклеиновых кислот распадаются на более простые, например, глюкозу, глицерин и жирные кислоты, аминокислоты, нуклеотиды и др. Этот этап может протекать непосредственно в клетках либо в кишечнике, откуда расщепленные вещества доставляются с током крови.

Анаэробный этап энергетического обмена сопровождается дальнейшим расщеплением мономеров органических соединений до еще более простых промежуточных продуктов, например, пировиноградной кислоты, или пирувата. Он не требует присутствия кислорода, и для многих организмов, обитающих в иле болот или в кишечнике человека, является единственным способом получения энергии. Анаэробный этап энергетического обмена протекает в цитоплазме.

Бескислородному расщеплению могут подвергаться различные вещества, однако довольно часто субстратом реакций оказывается глюкоза.{+} + 2Н_2О$.

Образование АТФ из АДФ происходит вследствие прямого переноса фосфат-аниона с предварительно фосфорилированного сахара и называется субстратным фосфорилированием.

Аэробный этап энергетического обмена может происходить только в присутствии кислорода, при этом промежуточные соединения, образовавшиеся в процессе бескислородного расщепления, окисляются до конечных продуктов (углекислого газа и воды) и выделяется большая часть энергии, запасенной в химических связях органических соединений. Она переходит в энергию макроэргических связей 36 молекул АТФ. Этот этап также называется тканевым дыханием. В случае отсутствия кислорода промежуточные соединения превращаются в другие органические вещества, и этот процесс называется брожением.

Дыхание

Механизм клеточного дыхания схематически изображен на рис.

Аэробное дыхание происходит в митохондриях, при этом пировиноградная кислота сначала утрачивает один атом углерода, что сопровождается синтезом одного восстановительного эквивалента $НАДН + Н^{+}$ и молекулы ацетилкофермента А (ацетил-КоА):

$С_3Н_4О_3 + НАД + Н~КоА → СН_3СО~КоА + НАДН + Н^{+} + СО_2↑$.{+}$.

При брожении с помощью микроорганизмов из пировиноградной кислоты могут образоваться также уксусная, масляная, муравьиная кислоты и др.

АТФ, полученная в результате энергетического обмена, расходуется в клетке на различные виды работы: химическую, осмотическую, электрическую, механическую и регуляторную. Химическая работа заключается в биосинтезе белков, липидов, углеводов, нуклеиновых кислот и других жизненно важных соединений. К осмотической работе относят процессы поглощения клеткой и выведения из нее веществ, которые во внеклеточном пространстве находятся в концентрациях, больших, чем в самой клетке. Электрическая работа тесно взаимосвязана с осмотической, поскольку именно в результате перемещения заряженных частиц через мембраны формируется заряд мембраны и приобретаются свойства возбудимости и проводимости. Механическая работа сопряжена с движением веществ и структур внутри клетки, а также клетки в целом. К регуляторной работе относят все процессы, направленные на координацию процессов в клетке.

Фотосинтез, его значение, космическая роль

Фотосинтезом называют процесс преобразования энергии света в энергию химических связей органических соединений с участием хлорофилла.

В результате фотосинтеза образуется около 150 млрд тонн органического вещества и приблизительно 200 млрд тонн кислорода ежегодно. Этот процесс обеспечивает круговорот углерода в биосфере, не давая накапливаться углекислому газу и препятствуя тем самым возникновению парникового эффекта и перегреву Земли. Образующиеся в результате фотосинтеза органические вещества не расходуются другими организмами полностью, значительная их часть в течение миллионов лет образовала залежи полезных ископаемых (каменного и бурого угля, нефти). В последнее время в качестве топлива начали использовать также рапсовое масло («биодизель») и спирт, полученный из растительных остатков. Из кислорода под действием электрических разрядов образуется озон, который формирует озоновый экран, защищающий все живое на Земле от губительного действия ультрафиолетовых лучей.

Наш соотечественник, выдающийся физиолог растений К. А. Тимирязев (1843–1920) назвал роль фотосинтеза «космической», поскольку он связывает Землю с Солнцем (космосом), обеспечивая приток энергии на планету.

Фазы фотосинтеза. Световые и темновые реакции фотосинтеза, их взаимосвязь

В 1905 году английский физиолог растений Ф. Блэкмен обнаружил, что скорость фотосинтеза не может увеличиваться беспредельно, какой-то фактор ограничивает ее. На основании этого он выдвинул предположение о наличии двух фаз фотосинтеза: световой и темновой. При низкой интенсивности освещения скорость световых реакций возрастает пропорционально нарастанию силы света, и, кроме того, данные реакции не зависят от температуры, поскольку для их протекания не нужны ферменты. Световые реакции протекают на мембранах тилакоид.

Скорость темновых реакций, напротив, возрастает с повышением температуры, однако по достижении температурного порога в $30°С$ этот рост прекращается, что свидетельствует о ферментативном характере указанных превращений, происходящих в строме. Следует отметить, что свет также оказывает на темновые реакции определенное влияние, несмотря на то, что они называются темновыми.

Световая фаза фотосинтеза протекает на мембранах тилакоидов, несущих несколько типов белковых комплексов, основными из которых являются фотосистемы I и II, а также АТФсинтаза. В состав фотосистем входят пигментные комплексы, в которых, кроме хлорофилла, присутствуют и каротиноиды. Каротиноиды улавливают свет в тех областях спектра, в которых этого не делает хлорофилл, а также защищают хлорофилл от разрушения светом высокой интенсивности.

Кроме пигментных комплексов, фотосистемы включают и ряд белков-акцепторов электронов, которые последовательно передают друг другу электроны от молекул хлорофилла. Последовательность этих белков называется электронтранспортной цепью хлоропластов.

С фотосистемой II также ассоциирован специальный комплекс белков, который обеспечивает выделение кислорода в процессе фотосинтеза. Этот кислородвыделяющий комплекс содержит ионы марганца и хлора.{-} + {1}/{2}O_2↑$.

Генетическая информация в клетке. Гены, генетический код и его свойства. Матричный характер реакций биосинтеза. Биосинтез белка и нуклеиновых кислот

Генетическая информация в клетке

Воспроизведение себе подобных является одним из фундаментальных свойств живого. Благодаря этому явлению существует сходство не только между организмами, но и между отдельными клетками, а также их органоидами (митохондриями и пластидами). Материальной основой этого сходства является передача зашифрованной в последовательности нуклеотидов ДНК генетической информации, которая осуществляется благодаря процессам репликации (самоудвоения) ДНК. Реа лизуются все признаки и свойства клеток и организмов благодаря белкам, структуру которых в первую очередь и определяют последовательности нуклеотидов ДНК. Поэтому первостепенное значение в процессах метаболизма играет именно биосинтез нуклеиновых кислот и белка. Структурной единицей наследственной информации является ген.

Гены, генетический код и его свойства

Наследственная информация в клетке не является монолитной, она разбита на отдельные «слова» — гены.

Ген — это элементарная единица генетической информации.

Работы по программе «Геном человека», которые проводились одновременно в нескольких странах и были завершены в начале нынешнего века, дали нам понимание того, что у человека всего около 25–30 тыс. генов, но информация с большей части нашей ДНК не считывается никогда, так как в ней содержится огромное количество бессмысленных участков, повторов и генов, кодирующих признаки, утратившие значение для человека (хвост, оволосение тела и др.). Кроме того, был расшифрован ряд генов, отвечающих за развитие наследственных заболеваний, а также генов-мишеней лекарственных препаратов. Однако практическое применение результатов, полученных в ходе реализации данной программы, откладывается до тех пор, пока не будут расшифрованы геномы большего количества людей и станет понятно, чем же все-таки они различаются.

Гены, кодирующие первичную структуру белка, рибосомальной или транспортной РНК называются структурными, а гены, обеспечивающие активацию или подавление считывания информации со структурных генов, — регуляторными. Однако даже структурные гены содержат регуляторные участки.

Наследственная информация организмов зашифрована в ДНК в виде определенных сочетаний нуклеотидов и их последовательности — генетического кода. Его свойствами являются: триплетность, специфичность, универсальность, избыточность и неперекрываемость. Кроме того, в генетическом коде отсутствуют знаки препинания.

Каждая аминокислота закодирована в ДНК тремя нуклеотидами — триплетом, например, метионин закодирован триплетом ТАЦ, то есть код триплетен. С другой стороны, каждый триплет кодирует только одну аминокислоту, в чем заключается его специфичность или однозначность. Генетический код универсален для всех живых организмов, то есть наследственная информация о белках человека может считываться бактериями и наоборот. Это свидетельствует о единстве происхождения органического мира. Однако 64 комбинациям нуклеотидов по три соответствует только 20 аминокислот, вследствие чего одну аминокислоту может кодировать 2–6 триплетов, то есть генетический код избыточен, или вырожден. Три триплета не имеют соответствующих аминокислот, их называют стоп-кодонами, так как они обозначают окончание синтеза полипептидной цепи.

Последовательность оснований в триплетах ДНК и кодируемые ими аминокислоты

*Стоп-кодон, означающий конец синтеза полипептидной цепи.

Сокращения названий аминокислот:

Ала — аланин

Арг — аргинин

Асн — аспарагин

Асп — аспарагиновая кислота

Вал — валин

Гис — гистидин

Гли — глицин

Глн — глутамин

Глу — глутаминовая кислота

Иле — изолейцин

Лей — лейцин

Лиз — лизин

Мет — метионин

Про — пролин

Сер — серин

Тир — тирозин

Тре — треонин

Три — триптофан

Фен — фенилаланин

Цис — цистеин

Если начать считывание генетической информации не с первого нуклеотида в триплете, а со второго, то произойдет не только сдвижка рамки считывания — синтезированный таким образом белок будет совсем иным не только по последовательности нуклеотидов, но и по структуре и свойствам. Между триплетами отсутствуют какие бы то ни было знаки препинания, поэтому нет никаких препятствий для сдвижки рамки считывания, что открывает простор для возникновения и сохранения мутаций.

Матричный характер реакций биосинтеза

Клетки бактерий способны удваиваться каждые 20–30 минут, а клетки эукариот — каждые сутки и даже чаще, что требует высокой скорости и точности репликации ДНК. Кроме того, каждая клетка содержит сотни и тысячи копий многих белков, особенно ферментов, следовательно, для их воспроизведения неприемлем «штучный» способ их производства. Более прогрессивным способом является штамповка, которая позволяет получить многочисленные точные копии продукта и к тому же снизить его себестоимость. Для штамповки необходима матрица, с которой осуществляется оттиск.

В клетках принцип матричного синтеза заключается в том, что новые молекулы белков и нуклеиновых кислот синтезируются в соответствии с программой, заложенной в структуре ранее существовавших молекул тех же нуклеиновых кислот (ДНК или РНК).

Биосинтез белка и нуклеиновых кислот

Репликация ДНК. ДНК представляет собой двухцепочечный биополимер, мономерами которого являются нуклеотиды. Если бы биосинтез ДНК происходил по принципу ксерокопирования, то неизбежно возникали бы многочисленные искажения и погрешности в наследственной информации, которые в конечном итоге привели бы к гибели новых организмов. Поэтому процесс удвоения ДНК происходит иным, полуконсервативным способом: молекула ДНК расплетается, и на каждой из цепей синтезируется новая цепь по принципу комплементарности. Процесс самовоспроизведения молекулы ДНК, обеспечивающий точное копирование наследственной информации и передачу ее из поколения в поколение, называется репликацией (от лат. репликацио — повторение). В результате репликации образуются две абсолютно точные копии материнской молекулы ДНК, каждая из которых несет по одной копии материнской.

Процесс репликации на самом деле крайне сложен, так как в нем участвует целый ряд белков. Одни из них раскручивают двойную спираль ДНК, другие разрывают водородные связи между нуклеотидами комплементарных цепей, третьи (например, фермент ДНК-полимераза) подбирают по принципу комплементарности новые нуклеотиды и т. д. Образовавшиеся в результате репликации две молекулы ДНК в процессе деления расходятся по двум вновь образующимся дочерним клеткам.

Ошибки в процессе репликации возникают крайне редко, однако если они и происходят, то очень быстро устраняются как ДНК-полимеразами, так и специальными ферментами репарации, поскольку любая ошибка в последовательности нуклеотидов может привести к необратимому изменению структуры и функций белка и, в конечном итоге, неблагоприятно сказаться на жизнеспособности новой клетки или даже особи.

Биосинтез белка. Как образно выразился выдающийся философ XIX века Ф. Энгельс: «Жизнь есть форма существования белковых тел». Структура и свойства белковых молекул определяются их первичной структурой, т. е. последовательностью аминокислот, зашифрованной в ДНК. От точности воспроизведения этой информации зависит не только существование самого полипептида, но и функционирование клетки в целом, поэтому процесс синтеза белка имеет огромное значение. Он, по-видимому, является самым сложным процессом синтеза в клетке, поскольку здесь участвует до трехсот различных ферментов и других макромолекул. Кроме того, он протекает с высокой скоростью, что требует еще большей точности.

В биосинтезе белка выделяют два основных этапа: транскрипцию и трансляцию.

Транскрипция (от лат. транскрипцио — переписывание) — это биосинтез молекул иРНК на матрице ДНК.

Поскольку молекула ДНК содержит две антипараллельных цепи, то считывание информации с обеих цепей привело бы к образованию совершенно различных иРНК, поэтому их биосинтез возможен только на одной из цепей, которую называют кодирующей, или кодогенной, в отличие от второй, некодирующей, или некодогенной. Обеспечивает процесс переписывания специальный фермент РНК-полимераза, который подбирает нуклеотиды РНК по принципу комплементарности. Этот процесс может протекать как в ядре, так и в органоидах, имеющих собственную ДНК, — митохондриях и пластидах.

Синтезированные в процессе транскрипции молекулы иРНК проходят сложный процесс подготовки к трансляции (митохондриальные и пластидные иРНК могут оставаться внутри органоидов, где и происходит второй этап биосинтеза белка). В процессе созревания иРНК к ней присоединяются первые три нуклеотида (АУГ) и хвост из адениловых нуклеотидов, длина которого определяет, сколько копий белка может синтезироваться на данной молекуле. Только потом зрелые иРНК покидают ядро через ядерные поры.

Параллельно в цитоплазме происходит процесс активации аминокислот, в ходе которого аминокислота присоединяется к соответствующей свободной тРНК. Этот процесс катализируется специальным ферментом, на него затрачивается АТФ.

Трансляция (от лат. трансляцио — передача) — это биосинтез полипептидной цепи на матрице иРНК, при котором происходит перевод генетической информации в последовательность аминокислот полипептидной цепи.

Второй этап синтеза белка чаще всего происходит в цитоплазме, например на шероховатой ЭПС. Для его протекания необходимы наличие рибосом, активация тРНК, в ходе которой они присоединяют соответствующие аминокислоты, присутствие ионов Mg2+, а также оптимальные условия среды (температура, рН, давление и т. д.).

Для начала трансляции (инициации) к готовой к синтезу молекуле иРНК присоединяется малая субъединица рибосомы, а затем по принципу комплементарности к первому кодону (АУГ) подбирается тРНК, несущая аминокислоту метионин. Лишь после этого присоединяется большая субъединица рибосомы. В пределах собранной рибосомы оказываются два кодона иРНК, первый из которых уже занят. К соседнему с ним кодону присоединяется вторая тРНК, также несущая аминокислоту, после чего между остатками аминокислот с помощью ферментов образуется пептидная связь. Рибосома передвигается на один кодон иРНК; первая из тРНК, освободившаяся от аминокислоты, возвращается в цитоплазму за следующей аминокислотой, а фрагмент будущей полипептидной цепи как бы повисает на оставшейся тРНК. К новому кодону, оказавшемуся в пределах рибосомы, присоединяется следующая тРНК, процесс повторяется и шаг за шагом полипептидная цепь удлиняется, т. е. происходит ее элонгация.

Окончание синтеза белка (терминация) происходит, как только в молекуле иРНК встретится специфическая последовательность нуклеотидов, которая не кодирует аминокислоту (стоп-кодон). После этого рибосома, иРНК и полипептидная цепь разделяются, а вновь синтезированный белок приобретает соответствующую структуру и транспортируется в ту часть клетки, где он будет выполнять свои функции.

Трансляция является весьма энергоемким процессом, поскольку на присоединение одной аминокислоты к тРНК расходуется энергия одной молекулы АТФ, еще несколько используются для продвижения рибосомы по молекуле иРНК.

Для ускорения синтеза определенных белковых молекул к молекуле иРНК могут присоединяться последовательно несколько рибосом, которые образуют единую структуру — полисому.

Клетка — генетическая единица живого. Хромосомы, их строение (форма и размеры) и функции. Число хромосом и их видовое постоянство. Соматические и половые клетки. Жизненный цикл клетки: интерфаза и митоз. Митоз — деление соматических клеток. Мейоз. Фазы митоза и мейоза. Развитие половых клеток у растений и животных. Деление клетки — основа роста, развития и размножения организмов. Роль мейоза и митоза

Клетка — генетическая единица живого

Несмотря на то, что нуклеиновые кислоты являются носителем генетической информации, реализация этой информации невозможна вне клетки, что легко доказывается на примере вирусов. Данные организмы, содержащие зачастую только ДНК или РНК, не могут самостоятельно воспроизводиться, для этого они должны использовать наследственный аппарат клетки. Даже проникнуть в клетку без помощи самой клетки они не могут, кроме как с использованием механизмов мембранного транспорта или благодаря повреждению клеток. Большинство вирусов нестабильно, они гибнут уже после нескольких часов пребывания на открытом воздухе. Следовательно, клетка является генетической единицей живого, обладающей минимальным набором компонентов для сохранения, изменения и реализации наследственной информации, а также ее передачи потомкам.

Бульшая часть генетической информации эукариотической клетки сосредоточена в ядре. Особенностью ее организации является то, что, в отличие от ДНК прокариотической клетки, молекулы ДНК эукариот не замкнуты и образуют сложные комплексы с белками — хромосомы.

Хромосомы, их строение (форма и размеры) и функции

Хромосома (от греч. хрома — цвет, окраска и сома — тело) — это структура клеточного ядра, которая содержит гены и несет определенную наследственную информацию о признаках и свойствах организма.

Иногда хромосомами называют и кольцевые молекулы ДНК прокариот. Хромосомы способны к самоудвоению, они обладают структурной и функциональной индивидуальностью и сохраняют ее в ряду поколений. Каждая клетка несет всю наследственную информацию организма, но в ней работает только небольшая часть.

Основой хромосомы является двухцепочечная молекула ДНК, упакованная с белками. У эукариот с ДНК взаимодействуют гистоновые и негистоновые белки, тогда как у прокариот гистоновые белки отсутствуют.

Лучше всего хромосомы видны под световым микроскопом в процессе деления клетки, когда они в результате уплотнения приобретают вид палочковидных телец, разделенных первичной перетяжкой — центромеройна плечи. На хромосоме может быть также и вторичная перетяжка, которая в некоторых случаях отделяет от основной части хромосомы так называемый спутник. Концевые участки хромосом называются теломерами. Теломеры препятствуют слипанию концов хромосом и обеспечивают их прикрепление к оболочке ядра в неделящейся клетке. В начале деления хромосомы удвоены и состоят из двух дочерних хромосом — хроматид, скрепленных в центромере.

По форме различают равноплечие, неравноплечие и палочковидные хромосомы. Размеры хромосом существенно варьируют, однако средняя хромосома имеет размеры 5 $×$ 1,4 мкм.

В некоторых случаях хромосомы в результате многочисленных удвоений ДНК содержат сотни и тысячи хроматид: такие гигантские хромосомы называются политенными. Они встречаются в слюнных железах личинок дрозофилы, а также в пищеварительных железах аскариды.

Число хромосом и их видовое постоянство. Соматические и половые клетки

Согласно клеточной теории клетка является единицей строения, жизнедеятельности и развития организма. Таким образом, такие важнейшие функции живого, как рост, размножение и развитие организма обеспечиваются на клеточном уровне. Клетки многоклеточных организмов можно разделить на соматические и половые.

Соматические клетки — это все клетки тела, образующиеся в результате митотического деления.

Изучение хромосом позволило установить, что для соматических клеток организма каждого биологического вида характерно постоянное число хромосом. Например, у человека их 46. Набор хромосом соматических клеток называют диплоидным (2n), или двойным.

Половые клетки, или гаметы, — это специализированные клетки, служащие для полового размножения.

В гаметах содержится всегда вдвое меньше хромосом, чем в соматических клетках (у человека — 23), поэтому набор хромосом половых клеток называется гаплоидным (n), или одинарным. Его образование связано с мейотическим делением клетки.

Количество ДНК соматических клеток обозначается как 2c, а половых — 1с. Генетическая формула соматических клеток записывается как 2n2c, а половых — 1n1с.

В ядрах некоторых соматических клеток количество хромосом может отличаться от их количества в соматических клетках. Если это различие больше на один, два, три и т. д. гаплоидных набора, то такие клетки называют полиплоидными (три-, тетра-, пентаплоидными соответственно). В таких клетках процессы метаболизма протекают, как правило, очень интенсивно.

Количество хромосом само по себе не является видоспецифическим признаком, поскольку различные организмы могут иметь равное количество хромосом, а родственные — разное. Например, у малярийного плазмодия и лошадиной аскариды по две хромосомы, а у человека и шимпанзе — 46 и 48 соответственно.

Хромосомы человека делятся на две группы: аутосомы и половые хромосомы (гетерохромосомы). Аутосом в соматических клетках человека насчитывается 22 пары, они одинаковы для мужчин и женщин, а половых хромосом только одна пара, но именно она определяет пол особи. Существует два вида половых хромосом — X и Y. Клетки тела женщины несут по две X-хромосомы, а мужчин — X и Y.

Кариотип — это совокупность признаков хромосомного набора организма (число хромосом, их форма и величина).

Условная запись кариотипа включает общее количество хромосом, половые хромосомы и возможные отклонения в наборе хромосом. Например, кариотип нормального мужчины записывается как 46, XY, а кариотип нормальной женщины — 46, XX.

Жизненный цикл клетки: интерфаза и митоз

Клетки не возникают каждый раз заново, они образуются только в результате деления материнских клеток. После разделения дочерним клеткам требуется некоторое время для формирования органоидов и приобретения соответствующей структуры, которая обеспечила бы выполнение определенной функции. Этот отрезок времени называется созреванием.

Промежуток времени от появления клетки в результате деления до ее разделения или гибели называется жизненным циклом клетки.

У эукариотических клеток жизненный цикл делится на две основные стадии: интерфазу и митоз.

Интерфаза — это промежуток времени в жизненном цикле, в который клетка не делится и нормально функционирует. Интерфаза делится на три периода: G1-, S- и G2-периоды.

G1-период (пресинтетический, постмитотический) — это период роста и развития клетки, в который происходит активный синтез РНК, белков и других веществ, необходимых для полного жизнеобеспечения вновь образовавшейся клетки. К концу этого периода клетка может начать готовиться к удвоению ДНК.

В S-периоде (синтетическом) происходит сам процесс репликации ДНК. Единственным участком хромосомы, который не подвергается репликации, является центромера, поэтому образовавшиеся молекулы ДНК не расходятся полностью, а остаются скрепленными в ней, и в начале деления хромосома имеет X-образный вид. Генетическая формула клетки после удвоения ДНК — 2n4c. Также в S-периоде происходит удвоение центриолей клеточного центра.

G2-период (постсинтетический, премитотический) характеризуется интенсивным синтезом РНК, белков и АТФ, необходимых для процесса деления клетки, а также разделением центриолей, митохондрий и пластид. До конца интерфазы хроматин и ядрышко остаются хорошо различимыми, целостность ядерной оболочки не нарушается, а органоиды не изменяются.

Часть клеток организма способна выполнять свои функции в течение всей жизни организма (нейроны нашего головного мозга, мышечные клетки сердца), а другие существуют непродолжительное время, после чего погибают (клетки кишечного эпителия, клетки эпидермиса кожи). Следовательно, в организме должны постоянно происходить процессы деления клеток и образования новых, которые замещали бы отмершие. Клетки, способные к делению, называют стволовыми. В организме человека они находятся в красном костном мозге, в глубоких слоях эпидермиса кожи и других местах. Используя эти клетки, можно вырастить новый орган, добиться омоложения, а также клонировать организм. Перспективы использования стволовых клеток совершенно ясны, однако морально-этические аспекты этой проблемы все еще обсуждаются, поскольку в большинстве случаев используются эмбриональные стволовые клетки, полученные из убитых при аборте зародышей человека.

Продолжительность интерфазы в клетках растений и животных составляет в среднем 10– 20 часов, тогда как митоз занимает около 1–2 часов.

В ходе последовательных делений в многоклеточных организмах дочерние клетки становятся все более разнообразными, поскольку в них происходит считывание информации со все большего числа генов.

Некоторые клетки со временем перестают делиться и погибают, что может быть связано с завершением выполнения определенных функций, как в случае клеток эпидермиса кожи и клеток крови или с повреждением этих клеток факторами окружающей среды, в частности возбудителями болезней. Генетически запрограммированная смерть клетки называется апоптозом, тогда как случайная гибель — некрозом.

Митоз — деление соматических клеток. Фазы митоза

Митоз — способ непрямого деления соматических клеток.

Во время митоза клетка проходит ряд последовательных фаз, в результате которых каждая дочерняя клетка получает такой же набор хромосом, как и в материнской клетке.

Митоз делится на четыре основные фазы: профазу, метафазу, анафазу и телофазу. Профаза — наиболее длительная стадия митоза, в процессе которой происходит конденсация хроматина, в результате чего становятся видны X-образные хромосомы, состоящие из двух хроматид (дочерних хромосом). При этом исчезает ядрышко, центриоли расходятся к полюсам клетки, и начинает формироваться ахроматиновое веретено (веретено деления) из микротрубочек. В конце профазы ядерная оболочка распадается на отдельные пузырьки.

В метафазе хромосомы выстраиваются по экватору клетки своими центромерами, к которым прикрепляются микротрубочки полностью сформированного веретена деления. На этой стадии деления хромосомы наиболее уплотнены и имеют характерную форму, что позволяет изучить кариотип.

В анафазе происходит быстрая репликация ДНК в центромерах, вследствие которой хромосомы расщепляются и хроматиды расходятся к полюсам клетки, растягиваемые микротрубочками. Распределение хроматид должно быть абсолютно равным, поскольку именно этот процесс обеспечивает поддержание постоянства числа хромосом в клетках организма.

На стадии телофазы дочерние хромосомы собираются на полюсах, деспирализуются, вокруг них из пузырьков формируются ядерные оболочки, а во вновь образовавшихся ядрах возникают ядрышки.

После деления ядра происходит деление цитоплазмы — цитокинез, в ходе которого и происходит более или менее равномерное распределение всех органоидов материнской клетки.

Таким образом, в результате митоза из одной материнской клетки образуется две дочерних, каждая из которых является генетической копией материнской (2n2c).

В больных, поврежденных, стареющих клетках и специализированных тканях организма может происходить несколько иной процесс деления — амитоз. Амитозом называют прямое деление эукариотических клеток, при котором не происходит образования генетически равноценных клеток, так как клеточные компоненты распределяются неравномерно. Он встречается у растений в эндосперме, а у животных — в печени, хрящах и роговице глаза.

Мейоз. Фазы мейоза

Мейоз — это способ непрямого деления первичных половых клеток (2n2с), в результате которого образуются гаплоидные клетки (1n1с), чаще всего половые.

В отличие от митоза, мейоз состоит из двух последовательных делений клетки, каждому из которых предшествует интерфаза. Первое деление мейоза (мейоз I) называется редукционным, так как при этом количество хромосом уменьшается вдвое, а второе деление (мейоз II) — эквационным, так как в его процессе количество хромосом сохраняется.

Интерфаза I протекает подобно интерфазе митоза. Мейоз I делится на четыре фазы: профазу I, метафазу I, анафазу I и телофазу I. В профазе I происходят два важнейших процесса — конъюгация и кроссинговер. Конъюгация — это процесс слияния гомологичных (парных) хромосом по всей длине. Образовавшиеся в процессе конъюгации пары хромосом сохраняются до конца метафазы I.

Кроссинговер — взаимный обмен гомологичными участками гомологичных хромосом. В результате кроссинговера хромосомы, полученные организмом от обоих родителей, приобретают новые комбинации генов, что обусловливает появление генетически разнообразного потомства. В конце профазы I, как и в профазе митоза, исчезает ядрышко, центриоли расходятся к полюсам клетки, а ядерная оболочка распадается.

В метафазе I пары хромосом выстраиваются по экватору клетки, к их центромерам прикреп ляются микротрубочки веретена деления.

В анафазе I к полюсам расходятся целые гомологичные хромосомы, состоящие из двух хроматид.

В телофазе I вокруг скоплений хромосом у полюсов клетки образуются ядерные оболочки, формируются ядрышки.

Цитокинез I обеспечивает разделение цитоплазм дочерних клеток.

Образовавшиеся в результате мейоза I дочерние клетки (1n2c) генетически разнородны, поскольку их хромосомы, случайным образом разошедшиеся к полюсам клетки, содержат неодинаковые гены.

Сравнительная характеристика митоза и мейоза

Признак Митоз Мейоз
Какие клетки вступают в деление? Соматические (2n) Первичные половые клетки (2n)
Число делений 1 2
Сколько и каких клеток образуется в процессе деления? 2 соматические (2n) 4 половые (n)
Интерфаза Подготовка клетки к делению, удвоение ДНК Подготовка клетки к делению, удвоение ДНК Очень короткая, удвоения ДНК не происходит
Фазы   Мейоз I Мейоз II
Профаза Конденсация хромосом, исчезновение ядрышка, распад ядерной оболочки Конденсация хромосом, исчезновение ядрышка, распад ядерной оболочки, могут происходить конъюгация и кроссинговер Конденсация хромосом, исчезновение ядрышка, распад ядерной оболочки
Метафаза Хромосомы выстраиваются по экватору, формируется веретено деления По экватору располагаются пары хромосом, формируется веретено деления Хромосомы выстраиваются по экватору, формируется веретено деления
Анафаза К полюсам расходятся хроматиды К полюсам расходятся гомологичные хромосомы из двух хроматид К полюсам расходятся хроматиды
Телофаза Хромосомы деспирализуются, формируются новые ядерные оболочки и ядрышки Хромосомы деспирализуются, формируются новые ядерные оболочки и ядрышки Хромосомы деспирализуются, формируются новые ядерные оболочки и ядрышки

Интерфаза II очень короткая, так как в ней не происходит удвоения ДНК, то есть отсутствует S-период.

Мейоз II также делится на четыре фазы: профазу II, метафазу II, анафазу II и телофазу II. В профазе II протекают те же процессы, что и в профазе I, за исключением конъюгации и кроссинговера.

В метафазе II хромосомы располагаются вдоль экватора клетки.

В анафазе II хромосомы расщепляются в центромерах и к полюсам растягиваются уже хроматиды.

В телофазе II вокруг скоплений дочерних хромосом формируются ядерные оболочки и ядрышки.

После цитокинеза II генетическая формула всех четырех дочерних клеток — 1n1c, однако все они имеют различный набор генов, что является результатом кроссинговера и случайного сочетания хромосом материнского и отцовского организмов в дочерних клетках.

Развитие половых клеток у растений и животных

Гаметогенез (от греч. гамете — жена, гаметес — муж и генезис — происхождение, возникновение) — это процесс образования зрелых половых клеток.

Так как для полового размножения чаще всего необходимы две особи — женская и мужская, продуцирующие различные половые клетки — яйцеклетки и спермии, то и процессы образования этих гамет должны быть различны.

Характер процесса в существенной степени зависит и от того, происходит ли он в растительной или животной клетке, поскольку у растений при образовании гамет происходит только митоз, а у животных — и митоз, и мейоз.

Развитие половых клеток у растений. У покрытосеменных растений образование мужских и женских половых клеток происходит в различных частях цветка — тычинках и пестиках соответственно.

Перед образованием мужских половых клеток — микрогаметогенезом (от греч. микрос — маленький) — происходит микроспорогенез, то есть формирование микроспор в пыльниках тычинок. Этот процесс связан с мейотическим делением материнской клетки, в результате которого возникают четыре гаплоидные микроспоры. Микрогаметогенез сопряжен с митотическим делением микроспоры, дающим мужской гаметофит из двух клеток — крупной вегетативной (сифоногенной) и мелкой генеративной. После деления мужской гаметофит покрывается плотными оболочками и образует пыльцевое зерно. В некоторых случаях еще в процессе созревания пыльцы, а иногда только после переноса на рыльце пестика генеративная клетка делится митотически с образованием двух неподвижных мужских половых клеток — спермиев. Из вегетативной клетки после опыления формируется пыльцевая трубка, по которой спермии проникают в завязь пестика для оплодотворения.

Развитие женских половых клеток у растений называется мегагаметогенезом (от греч. мегас — большой). Он происходит в завязи пестика, чему предшествует мегаспорогенез, в результате которого из материнской клетки мегаспоры, лежащей в нуцеллусе, путем мейотического деления формируются четыре мегаспоры. Одна из мегаспор трижды делится митотически, давая женский гаметофит — зародышевый мешок с восемью ядрами. При последующем обособлении цитоплазм дочерних клеток одна из образовавшихся клеток становится яйцеклеткой, по бокам от которой лежат так называемые синергиды, на противоположном конце зародышевого мешка формируются три антипода, а в центре в результате слияния двух гаплоидных ядер образуется диплоидная центральная клетка.

Развитие половых клеток у животных. У животных различают два процесса образования половых клеток — сперматогенез и овогенез.

Сперматогенез (от греч. сперма, сперматос — семя и генезис — происхождение, возникновение) — это процесс образования зрелых мужских половых клеток — сперматозоидов. У человека он протекает в семенниках, или яичках, и делится на четыре периода: размножение, рост, созревание и формирование.

В период размножения первичные половые клетки делятся митотически, вследствие чего образуются диплоидные сперматогонии. В период роста сперматогонии накапливают питательные вещества в цитоплазме, увеличиваются в размерах и превращаются в первичные сперматоциты, или сперматоциты 1-го порядка. Лишь после этого они вступают в мейоз (период созревания), в результате которого образуется сначала два вторичных сперматоцита, или сперматоцита 2-го порядка, а затем — четыре гаплоидных клетки с еще достаточно большим количеством цитоплазмы — сперматиды. В период формирования они утрачивают почти всю цитоплазму и формируют жгутик, превращаясь в сперматозоиды.

Сперматозоиды, или живчики, — очень мелкие подвижные мужские половые клетки, имеющие головку, шейку и хвостик.

В головке, кроме ядра, находится акросома — видоизмененный комплекс Гольджи, обеспечивающий растворение оболочек яйцеклетки в процессе оплодотворения. В шейке находятся центриоли клеточного центра, а основу хвостика образуют микротрубочки, непосредственно обеспечивающие движение сперматозоида. В нем также расположены митохондрии, обеспечивающие сперматозоид энергией АТФ для движения.

Овогенез (от греч. оон — яйцо и генезис — происхождение, возникновение) — это процесс образования зрелых женских половых клеток — яйцеклеток. У человека он происходит в яичниках и состоит из трех периодов: размножения, роста и созревания. Периоды размножения и роста, аналогичные таковым в сперматогенезе, происходят еще во время внутриутробного развития. При этом из первичных половых клеток в результате митоза образуются диплоидные оогонии, которые превращаются затем в диплоидные первичные ооциты, или ооциты 1-го порядка. Мейоз и последующий цитокинез, протекающие в период созревания, характеризуются неравномерностью деления цитоплазмы материнской клетки, так что в итоге сначала получается один вторичный ооцит, или ооцит 2-го порядка, и первое полярное тельце, а затем из вторичного ооцита — яйцеклетка, сохраняющая весь запас питательных веществ, и второе полярное тельце, тогда как первое полярное тельце делится на два. Полярные тельца забирают избыток генетического материала.

У человека яйцеклетки вырабатываются с промежутком 28–29 суток. Цикл, связанный с созреванием и выходом яйцеклеток, называется менструальным.

Яйцеклетка — крупная женская половая клетка, которая несет не только гаплоидный набор хромосом, но и значительный запас питательных веществ для последующего развития зародыша.

Яйцеклетка у млекопитающих покрыта четырьмя оболочками, снижающими вероятность ее повреждения различными факторами. Диаметр яйцеклетки у человека достигает 150–200 мкм, тогда как у страуса он может составлять несколько сантиметров.

Деление клетки — основа роста, развития и размножения организмов. Роль митоза и мейоза

Если у одноклеточных организмов деление клетки приводит к увеличению количества особей, т. е. размножению, то у многоклеточных этот процесс может иметь различное значение. Так, деление клеток зародыша, начиная с зиготы, является биологической основой взаимосвязанных процессов роста и развития. Подобные же изменения наблюдаются у человека в подростковом возрасте, когда число клеток не только увеличивается, но и происходит качественное изменение организма. В основе размножения многоклеточных организмов также лежит деление клетки, например при бесполом размножении благодаря этому процессу из части организма происходит восстановление целостного, а при половом — в процессе гаметогенеза образуются половые клетки, дающие впоследствии новый организм. Следует отметить, что основные способы деления эукариотической клетки — митоз и мейоз — имеют различное значение в жизненных циклах организмов.

В результате митоза происходит равномерное распределение наследственного материала между дочерними клетками — точными копиями материнской. Без митоза было бы невозможным существование и рост многоклеточных организмов, развивающихся из единственной клетки — зиготы, поскольку все клетки таких организмов должны содержать одинаковую генетическую информацию.

В процессе деления дочерние клетки становятся все более разнообразными по строению и выполняемым функциям, что связано с активацией у них все новых групп генов вследствие межклеточного взаимодействия. Таким образом, митоз необходим для развития организма.

Этот способ деления клеток необходим для процессов бесполого размножения и регенерации (восстановления) поврежденных тканей, а также органов.

Мейоз, в свою очередь, обеспечивает постоянство кариотипа при половом размножении, так как уменьшает вдвое набор хромосом перед половым размножением, который затем восстанавливается в результате оплодотворения. Кроме того, мейоз приводит к появлению новых комбинаций родительских генов благодаря кроссинговеру и случайному сочетанию хромосом в дочерних клетках. Благодаря этому потомство получается генетически разнообразным, что дает материал для естественного отбора и является материальной основой эволюции. Изменение числа, формы и размеров хромосом, с одной стороны, может привести к появлению различных отклонений в развитии организма и даже его гибели, а с другой — может привести к появлению особей, более приспособленных к среде обитания.

Таким образом, клетка является единицей роста, развития и размножения организмов.

Значение мембранных фосфолипидов в реализации защитных стратегий бактерий | Андрюков

Введение

В процессе эволюции микроорганизмы (МО) выработали ряд механизмов, направленных на сохранение жизнеспособности и защиту популяции от неблагоприятных условий существования в диапазоне от адаптационных морфофункциональных изменений биологических свойств до формирования устойчивых (некультивируемых) клеточных фенотипов. Основное значение в обеспечении защитных стратегий бактерий имеет клеточная стенка (КС), представляющая собой сложную гетерогенную систему и определяющая биологические свойства, форму и структурную целостность МО. Она выполняет ряд важнейших физиологических функций, обеспечивающих регуляцию взаимодействия МО с окружающей средой, и является главной мишенью для большой группы антибиотиков [1][2].

В течение многих десятилетий КС бактерий является предметом научного интереса в связи с ее важностью для большинства прокариот и отсутствием у эукариотических клеток. Кроме того, молекулярные структурные компоненты КС патогенных бактерий играют важную роль в патогенезе инфекционных заболеваний, действуя как адгезины, рецепторы, антигены или эндотоксины [1][3][4]. Среди макромолекул бактерий особое значение для обеспечения жизнеспособности в различных условиях среды обитания имеют липиды — активные участники большинства биохимических процессов в клеточных мембранах, представленные в значительной степени фосфолипидами (ФЛ) [2, 3, 5].

Ключевое значение ФЛ для функционирования и выживания бактерий в экстремальных условиях определяет высокую актуальность их изучения. Кроме того, до настоящего времени остается неисследованной роль этих липидных структур КС в интеграции сигналов среды обитания, механизмов регуляции фосфолипидного гомеостаза [4][6][7].

В течение последнего десятилетия (2010– 2019 гг.), по данным информационных биомедицинских ресурсов MEDLINE, PubMed, PMC и Cochrane Library, наблюдался растущий научный интерес к исследованию КС бактерий и увеличение числа публикаций (14 810, ключевой запрос «bacterial cell wall»), из которых изучению ФЛ бактерий (ключевой запрос «bacteria phospholipids») было посвящено 10 397 (70,21%) статей. Значительный рост научных исследований был вызван эволюцией научных методов и появлением современных аналитических инструментов для изучения бактериальных ФЛ (твердотельного ядерно-магнитного резонанса, дифференциальной сканирующей калориметрии, масс-спектрометрии и др.) [2][4][5][6].

Начало ХХI в. ознаменовалось открытием доменной структуры клеточных мембран у прокариот, появлением сведений о значении ФЛ-доменов и липидных рафтов в физиологии бактерий и обеспечении их жизнеспособности в стрессовых условиях. Полученные за последние годы научные данные полностью изменили доминировавшую в конце прошлого века парадигму о преимущественной роли ФЛ как молекулярных строительных блоков мембранного бислоя. Установлено, что эти липидные компоненты КС при стрессорном воздействии среды обитания выступают в качестве вторичных мессенджеров, выполняющих важные сигнальные и регуляторные функции [6, 7].

Однако до настоящего времени истинное биологическое значение мембранных ФЛ в физиологии бактерий и адаптации к стрессу не выяснено [3][6]. В частности, лишь недавно были получены начальные данные о роли ФЛ в распознавании сигналов из окружающей среды и их влиянии на процессы ремоделирования КС, что может иметь большое значение для разработки новых антимикробных стратегий [6][8].

Целью данного обзора является обобщение современных представлений о структурной, метаболической и сигнальной роли мембранных ФЛ в реализации защитных механизмов бактерий и поддержании их жизнеспособности в неблагоприятных условиях среды обитания.

Бактериальные мембраны и клеточные стенки

Бактерии обладают широким спектром адаптационных стратегий, направленных на сохранение жизнеспособности в экстремальных условиях существования, таких как недостаток питательных веществ или воздействие антибиотиков. Следовательно, способность воспринимать сигналы окружающей среды и быстро реагировать на колебания параметров является ключевым фактором выживания бактерий [1][2][5]. Механизмы быстрого реагирования на стресс часто требуют значительных физиологических перестроек, включая согласованные трансформации клеточного метаболизма и ремоделирование как цитоплазматической, так и внешней мембраны (у грамотрицательных бактерий). Ключевую роль в реализации этих защитных стратегий играют ФЛ [3][4][6].

Раскрытие ведущей роли ФЛ в реакции бактерий на стресс следует начать с произошедшей за последние годы существенной трансформации классической модели строения их биологических мембран и КС [2][5][8]. Последние достижения в молекулярной биологии и микробиологической визуализации изменили взгляд на строение бактериальной клетки, а также на структурно-динамическую характеристику клеточной мембраны [4] (рисунок).


Классическая модель строения мембран грамотрицательных бактерий по S.J. Singer и G.L. Nicolson (а) и современная доменная концепция этой модели (б). КЛ — кардиолипин; ФГ — фосфатидилглицерин; ФЭ — фосфатидилэтаноламин.

The classical model of the structure of the membranes of gram-negative bacteria according to S.J. Singer and G.L. Nicolson (а) and the modern domain concept of this model (b). CL — cardiolipin; PE — phosphatidyl-ethanolamine; PG — phosphatidyl-glycerol.

В последние годы появилась новая фундаментальная концепция, благодаря которой модель «жидкой мозаики» была расширена и дополнена рядом принципиальных положений. Стало понятно, что сложная архитектоника КС и мембран основана на специфической локализации липидных паттернов и макромолекул, и это имеет ключевое значение для сохранения жизнеспособности бактерий. Например, в недавних экспериментальных исследованиях с применением флюоресцентных зондов были открыты области мембранных фосфолипидных доменов и липидных рафтов, отличающиеся по своим химическим структурам и функциям [6][8]. Эти открытия сначала были сделаны на клетках эукариот, а в дальнейшем — в мембранах грамотрицательных (Гр) и грамположительных (Гр+) бактерий.

В последующих исследованиях было установлено, что эти домены определяют гетерогенность и асимметрию клеточных мембран и имеют решающее значение для обеспечения различных жизненных процессов в бактериях [9]. Полученные за последние годы экспериментальные данные не только изменили и дополнили классическую модель Singer–Nicolson (рисунок, а), но и породили новые концепции [9][10].

Известно, что КС Гр-бактерий устроена более сложно, чем у Гр+-МО, и состоит из наружной и внутренней (цитоплазматической) мембран, а также периплазмы, состоящей из пептидогликана. Большая часть наружной мембраны представлена двойным слоем липидов, основным компонентом которых являются ФЛ [11][12]. Бимолекулярная природа и амфипатический характер позволяют клеточным мембранам формировать двуслойную структуру, защищающую бактерии от влияния антимикробных агентов, но не препятствующую поступлению необходимых для роста питательных веществ [8][13][14].

Другим отличием является то, что оба вида бактерий содержат разные липополисахариды (ЛПС) в своих мембранах. У Гр+-бактерий функциональным эквивалентом ЛПС служат липотейхоевые кислоты [2], встроенные в цитоплазматическую мембрану, в то время как у Гр-бактерий ЛПС является основным липидным компонентом внешнего слоя наружной мембраны.

Данное положение полностью соответствует модели Singer–Nicolson, однако экспериментальные данные ограничивают его обоснованность только для стационарных (точнее, стационарно-динамических) состояний клеточных мембран [10][13]. Проведенные за последние десятилетия исследования позволили установить, что их качественный и количественный состав не является статичным и может значительно трансформироваться в ответ на изменение условий среды обитания [3][6][8][14].

При некоторых состояниях бактериальной клетки, в том числе вызванных экстремальными условиями среды обитания, меняются пространственная организация и ремоделирование мембран с образованием (в результате так называемого мембранного синтеза) временных мембранных однослойных структур при активном мембранно-деформирующем участии ФЛ (наряду с белками) и формированием фосфолипидных доменов кардиолипина (КЛ), фосфатидилглицеринина (ФГ) и других липидных кластеров, наделенных специфическими функциями [7, 14, 15]. Например, домены КЛ у E. coli в бактериальных мембранах на полюсах клеток влияют на полярную локализацию многих белков [15]

Как установили L. Danne с коллегами (2017) на модели Гр-бактерий, при наступлении стрессовых условий культивирования согласованный мембранный синтез происходит внутри как цитоплазматической, так и наружной мембраны [14].

Трансформация пространственной архитектоники и реструктуризация бактериальных мембран стали новыми областями для исследований в молекулярной микробиологии [7][8][12][14]. Согласно современным представлениям, уникальная способность КС прокариот формировать неламинарные однослойные структуры в результате биохимических реакций мембранного синтеза, проходящих внутри клеточных мембран, имеет решающее значение для выживания и адаптации бактерий [3]. При этом ведущая роль в ремоделировании мембраны у бактерий принадлежит качественным и количественным изменениям спектра ФЛ, благодаря чему в последние годы появилось понятие фосфолипидного (липидного) гомеостаза бактерий [11][16][17].

Фосфолипидный гомеостаз бактерий

Способность бактерий контролировать и трансформировать гомеостаз ФЛ, как и других жизненно важных соединений, позволяет им обитать в широком диапазоне условий окружающей среды. ФЛ занимают основную и важную часть клеточных мембран, не только обеспечивая их вязкость, механическую прочность и кривизну, но и активно регулируя функции мембранных протеинов, входящих в состав многочисленных рецепторов, ферментов и транспортеров, а также межбелковых взаимодействий [16][17][18].

Несмотря на значительное разнообразие в клетках прокариот ФЛ-структур, большинство из них являются глицеролипидами, содержащими две цепи жирных кислот. Типичные молекулы ФЛ состоят из обращенной кнаружи отрицательно заряженной гидрофильной фосфатной головной группы, присоединенной к глицерину, и двух гидрофобных ацильных цепочек-хвостов — неполярных жирных кислот, обращенных внутрь клетки. Подобное расположение амфипатических ФЛ обеспечивает образование плотной физико-химической мембранной структуры, непроницаемой для водорастворимых веществ внеклеточной среды и требуемой для концентрации необходимых для жизнедеятельности молекул в цитоплазме [14, 16, 18]. Кроме того, длина цепи и степень насыщенности жирных кислот, входящих в структуру ФЛ, модулируют толщину и текучесть биомембран [1][14][18].

Синтезируемый бактериями спектр ФЛ мажорно представлен фосфатидилэтаноламином (ФЭ), ФГ и дифосфатидилглицерином (КЛ), отличающимися количеством и длиной ацильных цепей, числом, положением и геометрией ненасыщенных связей, а также структурой, полярностью и зарядом головных частей [2, 6, 14]. Кроме того, для ФЛ-гомеостаза и функционирования бактериальных мембран имеет значение лизофосфатидилэтаноламин (ЛФЭ) — метаболический интермедиат, который образуется при гидролизе ФЭ или деградации мембран и входит в состав минорных групп ФЛ [11]. При особых условиях (например, при бактериальном стрессе) относительное содержание ЛФЭ может увеличиваться в КС и превышать физиологические следовые концентрации (≤ 1%).

Кроме основных групп, бактерии синтезируют дополнительные, менее распространенные ФЛ, такие как фосфатидилхолин, фосфатидилсерин и фосфатидилинозитол [1]. ФЛ-гомеостаз детерминирован мембранно-белковой архитектоникой. Относительное содержание ФЛ варьирует у разных типов (видов) бактерий, а их баланс жестко контролируется, в том числе регуляцией активности ферментов-синтаз, участвующих в биосинтезе. Изменение ФЛ гомеостаза приводит к нарушению проницаемости клеточных мембран, транспорта белков и электронов, нарушению деления клетки [11].

Для различных видов Гр-бактерий цвиттерионный ФЭ является преобладающим ФЛ, в то время как анионные ФГ и КЛ больше распространены у Гр+-МО [5]. Установлено (на модели E. coli), что мембраны Гр-бактерий состоят примерно из 70–75% ФЭ, 20–25% ФГ и 0–10% КЛ [13][19]. Это соотношение является относительно постоянным, за исключением периода перехода клеток в стационарную фазу роста, а также случаев, когда увеличивается содержание КЛ [10][12][15]. Перечисленные ФЛ совместно с ЛПС составляют липидный кластер, входящий в сложную макромолекулярную структуру, которая является барьером проницаемости и защитой бактериальной клетки от влияния экстремальных условий, а также создает избирательную проницаемость для веществ, необходимых для жизнеобеспечения бактерий [8][20].

В отличие от ЛПС, большая часть которых находится в составе внешней мембраны (основной компонент), ФЛ входят в состав как внешней, так и внутренней мембраны (вместе с α-спиральными белками). Здесь они составляют более 95% липидов, инициируя сигнальные каскады биохимических реакций при бактериальном стрессе [8][12][14].

Липидный гомеостаз мембран, который имеет важное значение для сохранения жизнеспособности бактерий, обеспечивается скоординированными процессами транспорта и синтеза. В отличие от ЛПС, синтез которых изучен достаточно хорошо, механизмы сборки ФЛ исследованы в меньшей степени [9][11][12]. При этом большая часть исследований проводилась на основной биологической модели — E. сoli, а полученные результаты интерполировались на все Гр-бактерии (у Гр+-МО синтез имеет некоторые отличия) [13].

У бактерий, как и у всех организмов, биосинтез ФЛ начинается с ацилирования глицерол-3-фосфата с образованием фосфатидной кислоты. Она является ключевым предшественником образования основных ФЛ у бактерий. В дальнейшем фосфатидная кислота превращается в цитидин-дифосфат-диацилглицерид (CDP-DAG) с участием фермента CDP-диглицерид-синтазы (CdsA). CDP-DAG является предшественником основного ион-биполярного фосфолипида — ФЭ и конечных анионных фосфолипидов — ФГ и КЛ. Дифосфатидилглицерин (КЛ) образуется в результате конденсации двух молекул ФГ [5][13][14]. Все реакции синтеза ФЛ происходят на цитоплазматической мембране, и все ключевые интермедиаты, такие как фосфатидная кислота и CDP-DAG, также связаны с мембраной [5][13][14][18].

Биосинтез ФЛ, имеющий важное значение не только для сохранения жизнеспособности бактерий, но и для поддержания их роста в период инфекции, в последние годы стал одним из перспективных направлений поиска новых антимикробных мишеней. Помимо ключевой структурной роли этих липидных доменов в клетке промежуточные метаболиты ФЛ могут выступать в качестве вторичных мессенджеров и выполнять важные регуляторные функции [8][21][22].

Двуслойная мембранная архитектоника не только обеспечивает механическую прочность и целостность бактериальных клеток, но и влияет на топологию мембранных белков, функция которых имеет выраженную ФЛ-зависимость [9][14]. Она опосредована, с одной стороны, связывающим действием ФЛ, играющих роль «гидрофобного клея» для белковых молекул (например, КЛ стабилизирует комплексы транслокационных белков SecYEG) [4][13][16], а с другой — наличием связанных ФЛ-компонентов в структуре многих мембранных белков [21][23].

Это связано не только с их особой ролью в белок-ФЛ-опосредовании ремоделирования клеточных мембран, но и с модуляцией функций мембранных белков, многие из которых имеют ФЛ в своей структуре [21][23]. Белок-ФЛ-связи обеспечиваются гидрофобными взаимодействиями (например, интегральная мембранно-натриевая антипортерная структура с молекулой ФЭ в составе) [14] или посредством зарядовых взаимодействий (например, мембранно-интегральный носитель митохондриального аденозинтрифосфата, имеющий в составе КЛ) [9][24].

Таким образом, за десятилетия изучения липидных доменов бактерий накопилось достаточно много информации о химических и физических свойствах, а также о структурном разнообразии клеточных ФЛ и механизмах, контролирующих динамическое постоянство состава клеточных мембран. Однако до последнего времени не было исследовано, каким образом эти свойства опосредуют биологические функции ФЛ. Кроме того, были неизвестны роль и значение каждого из них для физиологии, жизнеспособности или целостности бактериальной клетки. Эти исследования стали доступны после использования молекулярно-генетических подходов.

Молекулярно-генетические подходы, направленные на целевое модулирование биосинтеза фосфолипидов

Быстрое развитие молекулярной генетики с середины 1970-х гг. позволило разработать первые рекомбинантные штаммы E. coli, которая является наиболее распространенной модельной системой для изучения функции ФЛ. Трансформация спектра бактериальных фосфолипидов (ФЭ, ФГ, КЛ, фосфатидилсерина и фосфатидилхолина) достигалась путем создания нулевых мутантов соответствующих генов, кодирующих мембранные ферменты, катализирующие ключевые реакции биосинтеза ФЛ [20][23][25]. Целью этих исследований было решение вопроса о функциях или необходимости специфических ФЛ для сохранения жизнеспособности бактерий в неблагоприятных условиях среды обитания, в том числе в результате воздействия антибиотиков [20][22][24].

История изучения бактериального метаболизма ФЛ и роли отдельных липидных кластеров для жизнедеятельности клеток является удачным примером соединения энзимологии и генетики. Это сотрудничество наиболее плодотворно проявилось в конце ХХ в. в группах исследователей во главе с А. Kornberg и Е. Kennedy [20].

Систематическая генетическая трансформация спектров ФЛ бактериальных клеток путем нацеливания на гены, кодирующие ферменты биосинтеза ФЛ, позволила проверить их функцию in vivo и выявить новые роли в жизнеобеспечении бактерий на молекулярном уровне (таблица) [20][25][26].

Данные о функциях и участии ФЛ в жизнеобеспечении бактериальных клеток, полученные на основе молекулярногенетической трансформации генов, кодирующих биосинтез ФЛ
Information on the functions and participation of phospholipids in the life support of bacterial cells obtained on the basis of molecular genetic manipulation

Для исследования специфической реакции бактериальной клетки на стресс в условиях дефицита целевых ФЛ авторы применили анализ репортерных генов для дозозависимых характеристик, вестерн-блоты и измерения вторичных мессенджеров для выявления численности и активности ключевых регуляторов [20][24]. Полученные данные свидетельствуют о том, что ФЭ- и КЛ-дефицитные клетки активируют различные молекулярно-морфологические механизмы стрессового ответа [22][24][25].

Z.D. Dalebroux с коллегами, изучая реакцию на стресс E. coli в модельных условиях дефицита ФЭ, обнаружили значительные изменения в морфологии и структуре КС, сокращение длины цепи антигена О, снижение мембранного потенциала, метаболической активности и гиперспособности к формированию биопленки по сравнению с контрольным штаммом [7]. Установлено, что дефицит или удаление ФЭ вызывали плейотропное действие, выраженность которого зависела от экспрессии гена pssA, кодирующего синтез фосфатидилсеринсинтазы, катализирующей синтез этого ФЛ [7][20].

В последующих исследованиях установлено, что синтез КЛ у бактерий является сложным процессом, зависящим от трех изоформ КЛ-синтазы (ClsAВС), которые катализируют продукцию КЛ в стационарной фазе [11]. В условиях дефицита этого ФЛ у E. coli при реакции на стресс происходят морфофизиологические трансформации в клетке, однако у этих мутантов выявлена более длинная цепь антигена О, которая восстанавливалась после индукции гена clsA, кодирующего синтез КЛ-синтазы, а также (в отличие от дефицита ФЭ) снижение способности к формированию биопленки, устойчивости к воздействию перекиси водорода и щелочной рН, осмотическому стрессу и органическим растворителям [11][20]. Кроме того, дефицит КЛ приводил к нарушению организации и активности мембранных белков, участвующих в окислительном фосфорилировании у бактерий [12].

Появление новых сведений о специфических мембранных функциях ФЛ произошло благодаря формированию единого комплексного подхода к изучению их роли в физиологии бактерий [8]. Результаты использования молекулярно-генетических подходов и методов микробиологической визуализации, полученные в последние годы, позволили установить, что нарушение ФЛ-гомеостаза приводит к выраженным изменениям макромолекулярного состава бактериальных клеток, сопровождаемым эндогенным стрессом и выраженным плейотропным клеточным эффектом [20][26]. Кроме того, комплексное изучение ФЛ-зависимой бактериальной адаптации выявило важность липидного состава бактериальных мембран для поддержания формы и размера клеток, а также их связь с метаболизмом при экзогенном стрессе [8][20][27].

Эти ФЛ-зависимые эффекты включают не только изменения мембранных транспортно-синтетических путей, но и, как показало изучение генетически измененных штаммов, замедление скорости биосинтеза мембран, нарушение клеточной адгезии [20][26].

Например, экспериментальные исследования E. Mileykovskaya с коллегами на изолятах с нокаутированными генами Δ pssA и Δ clsA показали, что у бактериальных клеток, лишенных ФЭ или КЛ, происходило увеличение гетерогенности размеров и полиморфности в условиях сниженной доступности питательных веществ [24]. Кроме того, нарушение ФЛ-гомеостаза приводило к нарушению формирования биопленки, реализации множественных путей защитных стратегий против внешних стрессов окружающей среды, повышению чувствительности к антимикробным веществам [20][24].

В другом исследовании D.K. Giles с коллегами установили, что когда клетки Гр-возбудителя холеры Vibrio cholerae подвергались воздействию желчи, у них наблюдалось сопутствующее изменение уровней ФЭ (снижение) и КЛ (увеличение) с последующим ремоделированием клеточных мембран [26]. Аналогичные мембранные трансформации происходят и у других Гр-патогенов при взаимодействии с иммунной системой макроорганизма или при воздействии антимикробных веществ [20].

V.W. Rowlett с коллегами установили, что механизм, побуждающий к началу изменения ФЛ-гомеостаза у бактерий и последующей мембранной реструктуризации, связан с активацией двухкомпонентных систем PhoPQ и PmrAB, реагирующих на внешние стрессоры и запускающих экспрессию соответствующих генов [8]. В недавнем исследовании, проведенном авторами, было показано, что при нарушении синтеза мембранных ФЛ активация PhoPQ в стрессовых условиях не происходит, бактериальные клетки теряют способность к ремоделированию мембран и реализации многочисленных механизмов ответа на стресс [8].

Фосфолипидные домены клеточных мембран и классическая модель «жидкой мозаики»

В последние годы появилась новая фундаментальная концепция, уточняющая классическую молекулярную флюидно-мозаичную модель («жидкой мозаики») клеточных структур (Singer–Nicolson), которая была предложена около полувека назад [4]. Эта старая, но остающаяся в силе модель основана на постулате о диффузионной подвижности и равномерном распределении в однородной клеточной мембране двойного липидного слоя, являющегося «морем липидов» с плавающими в нем белками [2][4] (рисунок, а).

В начале XXI в. эта модель была расширена и дополнена рядом принципиальных положений. Установлено, что сложная архитектоника КС и мембран не является «морем липидов», а основана на специфической локализации высокоуровневых макромолекулярных доменов, обеспечивающих многие клеточные функции, имеющие ключевое значение для сохранения жизнеспособности бактерий [3][6][22] (рисунок, б).

Например, в экспериментальных исследованиях с применением флюоресцентных зондов были открыты области мембранных ФЛ-доменов, отличающихся по своему липидному составу (липидные домены) [6][20][25], и рафты (плоты) [28], различные по физическим характеристикам (отрицательной или положительной кривизне) [27] или электрическим потенциалом [26]. Эти исследования показали важнейшую роль ФЛ-доменов для клеток и поставили под сомнение флюидно-мозаичную модель Singer–Nicolson сначала для эукариотических [22][24], а позднее — для бактериальных клеток, где эти домены играют роль мишеней для специфической локализации белковых комплексов [11][15][29].

Современные исследования [15][18][22] с использованием масс-спектрометрии и тандемной масс-спектрометрии на моделях E. coli, Р. aeruginosa и B. subtilis показали, что ФЛ-состав бактериальных мембран может резко изменяться в процессе жизненного цикла бактерий. Как показали исследования, проведенные с помощью мембранных модельных систем и гидрофобного флюоресцентного красителя 10-N-ноналакридинового оранжевого, расположение в бактериальных мембранах КЛ-доменов неравномерно — преимущественно в полярных и перегородочных областях, что обеспечивает выполнение ими специфических функций [19][20][25].

При воздействии на бактерии аминогликозидов происходило перемещение и кластеризация КЛ-доменов без изменения текучести мембран. При этом реализовались функции, контролируемые КЛ: ингибирование дыхательной цепи и изменения формы бактерий (уменьшение длины и увеличение кривизны) [21][23][24]. Эти результаты представляют большой интерес для разработки новых перспективных антимикробных стратегий, нацеленных на ингибирование синтеза КЛ.

При исследовании доменов ФГ в основном использовались ФЛ-специфические катионные красители серии FM (FM4-64, FM1-43 и FM5-95), которые локализовались в спиральных липидных структурах клеточной мембраны в клетках B. subtilis, где индуцировалась экспрессия гена pgsA [6][11][20]. Выявлено, что преимущественная локализация ФГ в спиральных структурах B. subtilis сопровождалась увеличением концентрации в этих паттернах и ключевых белков клеточного деления FtsA и FtsZ [6].

Эти открытия побудили исследовать локализацию ФЭ с циклическим пептидным зондом Ro09- 0198, который специфически связывается с этими ФЛ [1][8][9]. Обработка биотинилированным Ro09- 0198 с последующим конъюгированным с тетраметил-родамином стрептавидином показала, что ФЭ-домены локализуются в перегородочных мембранах вегетативных клеток E. coli, а также в мембранах полярной перегородки и оболочечных мембранах спорулирующих клеток B. subtilis. В этих же клеточных паттернах локализовались и большинство фосфатидилсеринсинтаз, катализирующих синтез данных ФЛ [28][30].

Важной особенностью современной концепции строения клеточной мембраны стало открытие липидных рафтов (плотов) — микродоменов — локализации вокруг определенных сигнальных белков определенных видов липидов. Эти кластеры липидного бислоя, вкрапленные на поверхности ФЛ, были в начале XXI в. обнаружены в эукариотических клетках (что было расценено как эволюция клеточной сложности), где определены их сигнальные функции. В последующие годы эквивалентные микродомены выявлены и в бактериальных клетках [25][27].

Используя метод жидкостной хроматографии в сочетании с масс-спектрометрическим анализом, исследователи обнаружили у B. subtilis функциональную скваленсинтазу YisP, кодируемую геном yisp. Дальнейшие исследования показали, что функциональные липидные рафты в бактериальных мембранах, как и в эукариотических, координируют клеточные сигнальные пути секреции белков и их транспорта, обеспечивая адаптационные реакции и жизнеспособность МО [25][29]. Кроме того, обнаружено, что некоторые патогенные бактерии выработали ряд механизмов использования липидных рафтов для проникновения в клетки макроорганизмов и индукции инфекционных заболеваний [27][28].

Открытие рафтов в составе мембран позволило по-новому взглянуть на известную проблему современной мембранологии — зависимость функционирования мембранных белков от липидного состава мембран, сбалансированного таким образом, чтобы создать необходимые условия для корректной и эффективной работы мембранных белков. Высокое содержание сигнальных белков в рафтовой зоне свидетельствует об их участии в регуляции мембранных процессов [27].

Таким образом, благодаря современным аналитическим технологиям было установлено, что многие макромолекулы в бактериальных клетках имеют специфическую локализацию. В частности, наличие определенных мембранных ФЛ-доменов является важным дополнением существующей классической модели «жидкой мозаики». Изучение значения этих кластеров для жизнеспособности бактериальных клеток еще не закончено, но уже установлено, что эти домены и рафты играют ведущую роль в обеспечении важнейших клеточных процессов, включая деление, передачу сигналов, споруляцию, включение адаптивных реакций на внешние стрессоры и др.

Фосфолипидные домены и современные антимикробные стратегии

Бактериальные мембраны представляют собой основной барьер, защищающий внутриклеточные структуры от антимикробных агентов, и поэтому являются главными мишенями в механизмах токсического действия многих антибиотиков [1][2][8]. Их воздействие направлено на повреждение или разрушение бактериальных мембран, что является следствием нарушения организации липидного бислоя [28][30].

Однако в последние десятилетия увеличивающаяся антибиотикорезистентность патогенных МО все чаще снижает эффективность проводимого этиологического лечения бактериальных инфекций и стимулирует разработку альтернативных антибактериальных технологий [23].

Недавно была предложена новая антимикробная стратегия, связанная с использованием антимикробных поликатионных агентов, специфический механизм действия которых направлен на разделение анионных липидных кластеров. Это приводит к образованию в мембране сквозных дефектов (пор) в результате замедления диффузных процессов и фазового перехода в области ФЛ-доменов и липидных рафтов, а также их последующей сегрегации [28][29].

Указанные трансформации вызывают, с одной стороны, повышение проницаемости мембран для антимикробных агентов и дестабилизациию структуры бислоя, а с другой стороны, разрушение липидных макромолекул, что снижает жизнеспособность бактерий [28]. В качестве перспективных поликатионных агентов в последние годы изучается использование некоторых антимикробных пептидов [29].

Заключение

Обобщая полученные данные, можно сделать вывод, что ФЛ-гомеостаз имеет ключевое значение для жизнеобеспечения сложной системы адаптации МО, управления механизмами ремоделирования клеточных мембран. В последние десятилетия одним из главных достижений в концепции модели биологических мембран на основе «жидкой мозаики» стало понимание их доменной структуры. В свете новой концепции все большее внимание уделяется изучению ФЛ-кластеров бактериальных мембран, что имеет фундаментальное и практическое значение.

Дальнейшие исследования механизмов обнаружения и интегрирования сигналов из окружающей среды определяются важностью эффективного функционирования ФЛ-доменов, и раскроют патогенетический механизм многих заболеваний: атеросклероза, рака, диабета, болезни Альцгеймера и др.

Новые представления о непосредственном и активном участии мембранных ФЛ в реализации защитных стратегий бактериальной клетки имеют важное значение для последующей разработки новых мишеней — ФЛ-доменов — для антимикробной терапии в условиях угрожающего роста резистентности МО к традиционным антибиотикам. Современные инновационные стратегии нацелены на анионные ФЛ-домены с помощью некоторых катионных антимикробных пептидов, которые нарушают их стабильность и снижают жизнеспособность бактерий.

1. Sohlenkamp C., Geiger O. Bacterial membrane lipids: diversity in structures and pathways. FEMS Microbiol. Rev. 2016; 40(1): 133–59. https://doi.org/10.1093/femsre/fuv008

2. Dörr T., Moynihan P.J., Mayer C. Editorial: bacterial cell wall structure and dynamics. Front. Microbiol. 2019; 10: 2051. https://doi.org/10.3389/fmicb.2019.02051

3. Abellón-Ruiz J., Kaptan S.S., Baslé A., Claudi B., Bumann D., Kleinekathöfer U., et al. Structural basis for maintenance of bacterial outer membrane lipid asymmetry. Nat. Microbiol. 2017; 2(12): 1616–23. https://doi.org/10.1038/s41564-017-0046-x

4. Nicolson G.L. The Fluid-Mosaic Model of Membrane Structure: still relevant to understanding the structure, function and dynamics of biological membranes after more than 40 years. Biochim. Biophys. Acta. 2014; 1838(6): 1451–66. https://doi.org/10.1016/j.bbamem.2013.10.019

5. Slavetinsky C., Kuhn S., Peschel A. Bacterial aminoacyl phospholipids – biosynthesis and role in basic cellular processes and pathogenicity. Biochim. Biophys. Acta Mol. Cell Biol. Lipids. 2017; 1862(11): 1310–8. https://doi.org/10.1016/j.bbalip.2016.11.013

6. Barák I., Muchová K. The role of lipid domains in bacterial cell processes. Int. J. Mol. Sci. 2013; 14(2): 4050–65. https://doi.org/10.3390/ijms14024050

7. Dalebroux Z.D. Cues from the membrane: bacterial glycerophospholipids. J. Bacteriol. 2017; 199(13): e00136-17. https://doi.org/10.1128/JB.00136-17

8. Rowlett V.W., Mallampalli V.K.P.S., Karlstaedt A., Dowhan W., Taegtmeyer H., Margolin W., et al. Impact of membrane phospholipid alterations in Escherichia coli on cellular function and bacterial stress adaptation. J. Bacteriol. 2017; 199(13): e00849-16. https://doi.org/10.1128/JB.00849-16

9. Vitrac H., Mallampalli V.K.P.S., Dowhan W. Importance of phosphorylation/dephosphorylation cycles on lipid-dependent modulation of membrane protein topology by posttranslational phosphorylation. J. Biol. Chem. 2019; 294(49): 18853–62. https://doi.org/10.1074/jbc.RA119.010785

10. Bishop R.E. Phospholipid middle management. Nat. Microbiol. 2019; 4(10): 1608–9. https://doi.org/10.1038/s41564-019-0570-y

11. Sastre D.E., Basso LG.M., Trastoy B., Cifuente J.O., Contreras X., Gueiros-Filho F., et al. Membrane fluidity adjusts the insertion of the transacylase PlsX to regulate phospholipid biosynthesis in Gram-positive bacteria. J. Biol. Chem. 2020; 295(7): 2136–47. https://doi.org/10.1074/jbc.RA119.011122

12. Exterkate M., Caforio A., Stuart M.C.A., Driessen A.J.M. Growing membranes in vitro by continuous phospholipid biosynthesis from free fatty acids. ACS Synth. Biol. 2018; 7(1): 153–65. https://doi.org/10.1021/acssynbio.7b00265

13. Tang Y., Xia H., Li D. Membrane phospholipid biosynthesis in bacteria. In: Cao Y., eds. Advances in Membrane Proteins. Singapore: Springer; 2018: 77–119. https://doi.org/10.1007/978-981-13-0532-0_4

14. Danne L., Aktas M., Unger A., Linke W.A., Erdmann R., Narberhaus F. Membrane remodeling by a bacterial phospholipid-methylating enzyme. mBio. 2017; 8(1): e02082-16. https://doi.org/10.1128/mBio.02082-16

15. Parsons J.B., Rock C.O. Bacterial lipids: metabolism and membrane homeostasis. Prog. Lipid Res. 2013; 52(3): 249–76. https://doi.org/10.1016/j.plipres.2013.02.002

16. Shrivastava R., Jiang X., Chng S.S. Outer membrane lipid homeostasis via retrograde phospholipid transport in Escherichia coli. Mol. Microbiol. 2017; 106(3): 395–408. https://doi.org/10.1111/mmi.13772

17. Coleman G.A., Pancost R.D., Williams T.A. Investigating the origins of membrane phospholipid biosynthesis genes using outgroup-free rooting. Genome Biol. Evol. 2019; 11(3): 883–98. https://doi.org/10.1093/gbe/evz034

18. Tan Z., Khakbaz P., Chen Y., Lombardo J., Yoon J.M., Shanks J.V., et al. Engineering Escherichia coli membrane phospholipid head distribution improves tolerance and production of biorenewables. Metab. Eng. 2017; 44: 1–12. https://doi.org/10.1016/j.ymben.2017

19. Dowhan W. Understanding phospholipid function: why are there so many lipids? J. Biol. Chem. 2017; 292(26): 10755–66. https://doi.org/10.1074/jbc.X117.794891

20. Robertson R.M., Yao J., Gajewski S., Kumar G., Martin E.W., Rock C.O., et al. A two-helix motif positions the active site of lysophosphatidic acid acyltransferase for catalysis within the membrane bilayer. Nat. Struct. Mol. Biol. 2017; 24(8): 666–71. https://doi.org/10.1038/nsmb.3436

21. Lin T.Y., Gross W.S., Auer G.K., Weibel D.B. Cardiolipin alters Rhodobacter sphaeroides cell shape by affecting peptidoglycan precursor biosynthesis. mBio. 2019; 10(1): e02401-18. https://doi.org/10.1128/mBio.02401-18

22. Tan B.K., Bogdanov M., Zhao J., Dowhan W., Raetz C.R.H., Guan Z. Discovery of a novel cardiolipin synthase in Escherichia coli utilizing phosphatidylethanolamine and phosphatidylglycerol as substrates. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2012; 109(41): 16504–9. https://doi.org/10.1073/pnas.1212797109

23. El Khoury M., Swain J., Sautrey G., Zimmermann L., Van Der Smissen P., Décout J.L., et al. Targeting bacterial cardiolipin enriched microdomains: an antimicrobial strategy used by amphiphilic aminoglycoside antibiotics. Sci. Rep. 2017; 7(1): 10697. https://doi.org/10.1038/s41598-017-10543-3

24. Mileykovskaya E., Ryan A.C., Mo X., Lin C.C., Khalaf K.I., Dowhan W., et al. Phosphatidic acid and N-acylphosphatidylethanolamine form membrane domains in Escherichia coli mutant lacking cardiolipin and phosphatidylglycerol. J. Biol. Chem. 2009; 284(5): 2990–3000. https://doi.org/10.1074/jbc.M805189200

25. Pogmore A.R., Seistrup K.H., Strahl H. The Gram-positive model organism Bacillus subtilis does not form microscopically detectable cardiolipin-specific lipid domains. Microbiology. 2018; 164(4): 475–82. https://doi.org/10.1099/mic.0.000639

26. Giles D.K., Hankins J.V., Guan Z., Trent M.S. Remodelling of the Vibrio cholerae membrane by incorporation of exogenous fatty acids from host and aquatic environments. Mol. Microbiol. 2011; 79(3): 716–28. https://doi.org/10.1111/j.1365-2958.2010.07476.x

27. Bramkamp M., Lopez D. Exploring the existence of lipid rafts in bacteria. Microbiol. Mol. Biol. Rev. 2015; 79(1): 81–100. https://doi.org/10.1128/MMBR.00036-14

28. Epand R.M., Epand R.F. Lipid domains in bacterial membranes and the action of antimicrobial agents. Biochim. Biophys. Acta. 2009; 1788(1): 289–94. https://doi.org/10.1016/j.bbamem.2008.08.023

29. Matsuzaki K., ed. Antimicrobial Peptides: Basics for Clinical Application. Kyoto: Springer; 2019.

30. Ursell T.S., Klug W.S., Phillips R. Morphology and interaction between lipid domains. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2009; 106(32): 13301–6. https://doi.org/10.1073/pnas.0903825106


Ответы | Тема 1. Строение и жизнедеятельность клетки — Биология, 7 класс

2.

  • А. Одно из главных свойств живых организмов — обмен веществ.
  • Б. Животные поглощают из воздуха углекислый газ и выделяют кислород.
  • В. Автотрофные организмы способны образовывать ор­ганические вещества из неорганических.
  • Г. Гетеротрофным организмам для поддержания процес­сов своей жизнедеятельности необходимо поступление только органических веществ.
  • Д. Наименьшей единицей живого является клетка.

7.

Клетка не сможет контролировать поступление в неё веществ, избавляется от продуктов обмена и погибнет.

8.

Часть оболочки, непосредственно соприкасающаяся с внут­ренним содержимым клетки, называется мембранов.

Она способна пропускать некоторые вещества внутрь клет­ки, а образующиеся в клетке вещества наружу.

Это свойство называется избирательной проницаемостью.

У растений, грибов и бактерий имеется также плот­ная клеточная стенка. У растений ее основу составляет целлюлоза, у грибов — хи­тин, а у бактерий — муреин. Вязкое полупрозрачное вещество, которое заполняет все пространство клетки, называется цитоплазма.

9.

  • А. Хромосомы в клетке постоянно находятся в цито­плазме.
  • Б. Цитоплазматическая мембрана, входящая в состав органоидов, по строению сильно отличается от наружной цитоплазматической мембраны клетки.
  • В. Вакуоли имеются в клетках растений, грибов и многих протистов.
  • Г. Клеточный сок по своему составу сходен с цитоплаз­мой и выполняет те же функции.
  • Д. В пластидах могут откладываться про запас сложные органические вещества.

10.

В цитоплазме клеток растений сосредоточена наследствен­ная информация. В вакуолях происходит процесс фотосин­теза, в ядре откладываются про запас сложные органические вещества, а в лейкопластах в большом количестве накапливаются желтые, оранжевые и красные пигменты. Хлоропласты регулируют давление цитоплазмы на клеточную стенку.

В ядре клеток сосредоточена наследственная информация. В вакуолях находится клеточный сок, в лейкопластах накапливаются органические вещества, в хромопластах — жёлтые, оранжевые и красные пигменты. Вакуоль регулирует давление на клеточную стенку.

11.

 

На основании какого признака вы упорядочили рисунки?

В зависимости от размера вакуолей.

12.

По движению органоидов.

13.

Осмос — одностороннее проникновение воды через избирательную проницаемую мембрану.

Диффузия — движение веществ через мембрану по градиенту концентрации.

Газообмен — процесс поступления в организм кислорода и выделения углекислого газа.

Дыхание — происходящий с участием $O_2$ процесс расщепления органических веществ до углекислого газа и воды.

14.

  • А. Концентрация веществ в клетке и в окружающей ее среде примерно одинакова.
  • Б. Тургорное давление зависит от поступления в клетку воды.
  • В. Процессы дыхания происходят во всех живых клетках в течение всей их жизни.
  • Г. Животные и грибы способны самостоятельно синте­зировать органические вещества из неорганических.
  • Д. В результате процесса фотосинтеза происходит раз­рушение глюкозы до углекислого газа и воды.

16.

Эти процессы взаимосвязаны. Их значение состоит в превращении солнечной энергии в доступную для живых организмов.

17.

Попробуйте объяснить произошедшие изменения.

Изменения размера связано с разной концентрацией веществ в клетке и окружающей среде.

18.

Деление клетки у растений начинается с разрушения ядра, после чего происходит удвоение числа хромосом и осталь­ных органоидов. Затем вокруг каждого комплекта хромосом и органоидов заново образуется ядерная мембрана, и клетка растения продолжает свой рост.

Деление клетки начинается с удвоения числа хромосом и растворения ядерной мембраны. Затем хромосомы расходятся к полюсам. Между ними образовывается перегородка, одновременно формируется новая ядерная оболочка.

19.

20.

Удваиваться, уплотняться, растворяться, расходиться, образовываться, делиться.

21.

Может привести к мутациям.

Присоединяйтесь к Telegram-группе @superresheba_7, делитесь своими решениями и пользуйтесь материалами, которые присылают другие участники группы!

Структура и функции бактериальных клеток


Интернет-обзор Интернет-учебника по бактериологии Тодара. «Хорошее, плохое и смертоносное»

Ключевые слова: бактериальная структура, жгутик, жгутики, пилусы, пили, фимбрии, капсула, S-слой, гликокаликс, слой слизи, биопленка, внешняя мембрана, LPS, клеточная стенка, пептидогликан, муреин, тейхоевая кислота, плазматическая мембрана, клеточная мембрана. , фосфолипидный бислой, транспортная система, движущая сила протона, pmf, АТФаза, ДНК, хромосома, нуклеоид, рибосома, субъединица 30S, субъединица 50S, 16S рРНК, включение, ПОБ, гликоген, карбоксисома, эндоспора, параспоральный кристалл.



Распечатать эту страницу

Структура и функции бактериальных клеток (страница 7)

(В этой главе 10 страниц)

© Кеннет Тодар, доктор философии

Плазменная мембрана

Плазматическая мембрана , также называется цитоплазматическим мембрана , является наиболее динамичной структурой прокариотической клетки.Его Основная функция - это селективный барьер проницаемости , регулирующий попадание веществ внутрь и из клетки. Плазматическая мембрана является определяющей структурой клетки, поскольку она изолирует молекулы жизни в единице, отделяя ее от окружающей среды. Бактериальный мембрана пропускает воду и незаряженные молекулы с молекулярной массой около 100 дальтон но не допускает прохождения более крупных молекул или любых заряженных вещества кроме специальной мембраны транспортировка процессов и транспортировка системы . Бактериальный мембраны состоят из 40 процентов фосфолипидов и 60 процентов белка. Фосфолипиды амфифильный молекулы с полярной гидрофильной глицериновой «головой», присоединенной через сложный эфир связь с двумя неполярными гидрофобными хвостами жирных кислот, которые естественным образом образуют бислой в водных средах.В бислое рассредоточены различный структурные и ферментативные белки, которые выполняют большую часть мембранных функции. Когда-то считалось, что белки аккуратно организованы. вместе внутренняя и внешняя поверхности мембраны, и что это составляло в двухтрековый вид мембраны на электронных микрофотографиях.Тем не мение, теперь известно, что в то время как некоторые мембранные белки расположены и функция на той или иной стороне мембраны большинство белков частично вставлен в мембрану или, возможно, даже проходят через мембрану в виде каналов из снаружи внутрь. Возможно, что белки могут двигаться сбоку вдоль поверхности мембраны, но термодинамически маловероятно что белки могут вращаться внутри мембраны, что рано снижает теории о том, как могут работать транспортные системы.Расположение белков и липиды для формирования мембраны называется жидкой мозаикой , модель , и иллюстрированный на рисунке 20.


Рисунок 20. Модель жидкой мозаики. биологической мембраны. В водных средах мембрана фосфолипиды устраиваются таким образом, что они самопроизвольно образуют жидкость двухслойный.Мембранные белки, которые могут быть структурными или функциональными, могут быть постоянно или временно связанные с одной или другой стороной мембраны, или даже быть постоянно встроенным в бислой, в то время как другие белки охватывают в двухслойные и могут образовывать транспортные каналы через мембрану.

Мембраны Бактерии находятся структурно похожи на клеточные мембраны эукариот, за исключением того, что бактериальные мембраны состоят из насыщенных или мононенасыщенных жирных кислот (редко, полиненасыщенный жирные кислоты) и обычно не содержат стеринов.В мембраны из архей образуют бислои, функционально эквивалентные бактериальным мембраны, но липиды архей насыщенные, разветвленные, повторяющиеся изопреноиды подразделения которые присоединяются к глицерину через эфирную связь, в отличие от сложного эфира связь содержится в глицеридах липидов мембран эукариот и бактерий (рис. 21).Считается, что структура мембран архей является адаптацией. их существованию и выживанию в экстремальных условиях.


Рисунок 21. Обобщенный состав липидов мембраны. (Топ). Фосфолипид в мембране бактерия Эшерихия coli . Положения R1 и R2 на глицерине заменены на насыщенный или мононенасыщенные жирные кислоты со сложноэфирными связями с глицеридом.В Положение R3 замещено фосфатидилэтаноламином, наиболее общий заместитель в этом положении у бактерий. (Нижний). Архей мембрана липид. В отличие от бактериальных фосфолипидов, которые представляют собой глицерин сложные эфиры жирных кислот липиды в мембранах архей являются диэфирами глицерин и длинноцепочечные, разветвленные, насыщенные углеводороды, называемые изопреноидами или которые состоят из повторяющихся субъединиц C5.Один из основных изопреноиды представляет собой молекулу фитанола C20. Положение R3 глицерина может или может нет быть замененным. Считается, что структура липидов мембран архей быть адаптацией к экстремальным условиям, таким как жаркая и кислая условия где в природе преобладают археи.

Функции цитоплазмы Мембрана

Так как прокариоты лишены любые внутриклеточные органеллы для таких процессов, как дыхание, фотосинтез или секреция, плазма мембрана поглощает эти процессы для клетки и, следовательно, имеет разнообразие функций в выработке энергии и биосинтезе .Для Например, система переноса электронов , которая связывает аэробных дыхание и Синтез АТФ обнаруживается в прокариотической мембране. Фотосинтез хромофоры , которые собирают световую энергию для преобразования в химический энергии находятся в мембране. Следовательно, плазматическая мембрана - это сайт окислительного фосфорилирования и фотофосфорилирования в прокариоты, аналогичные функциям митохондрий и хлоропласты в эукариотических клетках.Помимо транспортных белков , которые выборочно опосредуют проникновение веществ в клетку и из клетки, прокариотические мембраны могут содержать сенсорных белков , которые измеряют концентрации молекул в окружающей среде или связывающих белков , которые перемещать сигналы к генетическим и метаболическим машинам в цитоплазме.Мембраны также содержат фермента, участвуют во многих метаболических процессах, таких как в качестве синтез клеточной стенки, формирование перегородки, мембранный синтез, ДНК репликация CO 2 фиксация и окисление аммиака. Преобладающий функции прокариотических мембран перечислены в Таблице 7 и обсуждаются ниже.


Таблица 7.Функции прокариотической плазматической мембраны
    1. Осмотический или проницаемость барьер

    2. Расположение транспорта системы для конкретных растворенных веществ (питательные вещества и ионы)

    3. Производство энергии функции, с участием респираторных и фотосинтетических систем транспорта электронов, учреждение протонной движущей силы и трансмембранной АТФ-синтезирующей АТФазы

    4.Синтез мембраны липиды (включая липополисахарид в грамотрицательных клетках)

    5. Синтез муреина (клеточного стена пептидогликан)

    6. Сборка и секреция экстрацитоплазматический белки

    7.Координация ДНК репликация и сегрегация с образованием перегородки и делением клеток

    8. Хемотаксис (как подвижность на se и сенсорные функции)

    9. Расположение специализированных фермент система



продолжение главы

Предыдущая страница

© Кеннет Тодар, доктор наукD. Все права защищены. - www.textbookofbacteriology.net

2.2: Цитоплазматическая мембрана - Biology LibreTexts

Задачи обучения

  1. Определите химический состав и основные функции цитоплазматической мембраны у бактерий.
  2. Кратко опишите двухслойную структуру жидких фосфолипидов биологических мембран.
  3. Укажите чистый поток воды, когда ячейка находится в изотонической, гипертонической или гипотонической среде, и свяжите это с концентрацией растворенного вещества.
  4. Определите следующие средства транспорта:
    1. пассивная диффузия
    2. осмос
    3. облегченная диффузия
    4. транспорт через канальные белки
    5. транспорт через унипортер
    6. активный транспорт
    7. транспорт через антипортер
    8. транспорт через симпортер
    9. транспорт
    10. симпортер
    11. транспорт
    12. симпортер система
    13. групповая транслокация
  5. Укажите, как антибиотик полимиксин и дезинфицирующие средства, такие как ортофенилфенол, хлоргексидин, гексахлорофен, зефиран и алкоголь, влияют на бактерии.
  6. Дайте определение бинарному делению и геометрической прогрессии и свяжите это со способностью бактерий астрономически увеличивать свою численность за относительно короткий период времени.
  7. Кратко опишите процесс бинарного деления у бактерий, указав функции белков Par, дивисом и белков FtsZ.
Рисунок \ (\ PageIndex {3} \) A: Шаги пассивной диффузии. Пассивная диффузия - это чистое движение газов или небольших разряженных полярных молекул через двухслойную фосфолипидную мембрану из области с более высокой концентрацией в область с более низкой концентрацией.Примеры газов, которые проникают через мембраны путем пассивной диффузии, включают N 2 , O 2 и CO 2 ; примеры малых полярных молекул включают этанол, H 2 O и мочевину.

Все молекулы и атомы обладают кинетической энергией (энергией движения). Если молекулы или атомы неравномерно распределены по обеим сторонам мембраны, разница в их концентрации образует градиент концентрации, который представляет собой форму потенциальной энергии (запасенной энергии). Таким образом, чистое движение этих частиц будет вниз по градиенту их концентрации - от области с более высокой концентрацией к области с более низкой концентрацией.Диффузия обеспечивается за счет потенциальной энергии градиента концентрации и не требует затрат метаболической энергии.

Рисунок \ (\ PageIndex {4} \): Осмос. Свободная вода, проходящая через поры мембраны. (слева) Когда растворенное вещество, такое как сахар, растворяется в воде, оно образует слабые водородные связи с молекулами воды. В то время как свободные, несвязанные молекулы воды достаточно малы, чтобы проходить через мембрану и через поры мембраны, молекулы воды, связанные с растворенными веществами, нет. (справа) Когда ионное растворенное вещество, такое как NaCl, растворяется в воде, ион Na + притягивает частичный отрицательный заряд атома кислорода в молекуле воды, а ион Cl - притягивает частичный положительный заряд водорода бородавки.В то время как свободные, несвязанные молекулы воды достаточно малы, чтобы проходить через мембрану и через поры мембраны, молекулы воды, связанные с растворенными веществами, нет.

Клетка может находиться в одной из трех сред: изотонической, гипертонической или гипотонической (приставки изо-, гипер- и гипо- относятся к концентрации растворенного вещества).

  • В изотонической среде (рисунок \ (\ PageIndex {5} \)) концентрация воды и растворенного вещества одинакова внутри и снаружи ячейки, и вода входит и выходит из ячейки с одинаковой скоростью.
Рисунок \ (\ PageIndex {5} \): Осмос (ячейка в изотонической среде). (слева) В анизотонической среде концентрация воды и растворенного вещества одинакова внутри и снаружи ячейки, и вода входит и выходит из ячейки с одинаковой скоростью. (справа) Если среда, окружающая клетку, является гипертонической, концентрация растворенного вещества выше вне клетки, а концентрация воды выше внутри клетки. Цитоплазма клетки гипотонична окружающей гипертонической среде.Из клетки уходит вода.
  • Если окружающая среда гипертоническая (Рисунок \ (\ PageIndex {6} \) A и Рисунок \ (\ PageIndex {6} \) B), концентрация воды внутри ячейки выше, а концентрация растворенных веществ выше снаружи (внутри клетки является гипотоническим к окружающей гипертонической среде). Из клетки уходит вода.
  • В гипотонической среде (рис. \ (\ PageIndex {7} \)) концентрация воды выше вне клетки, а концентрация растворенных веществ выше внутри (внутренняя часть клетки гипертонична по сравнению с гипотонической средой).Вода попадает в камеру.
Рисунок \ (\ PageIndex {2} \). 2.8: Транспортировка веществ через мембрану унипортерами. Унипортеры - это транспортные белки, которые транспортируют вещество через мембрану вниз по градиенту концентрации от области с большей концентрацией к области с меньшей концентрацией. Транспорт питается от потенциальной энергии градиента концентрации и не требует метаболической энергии.

2. Белки каналов транспортируют воду или определенные ионы вниз либо по градиенту концентрации, в случае воды, либо по градиенту электрического потенциала в случае определенных ионов, из области с более высокой концентрацией в область с более низкой концентрацией (Рисунок \ (\ PageIndex { 6} \) Б).Хотя молекулы воды могут напрямую пересекать мембрану посредством пассивной диффузии, как упоминалось выше, канальные белки, называемые аквапоринами, могут усиливать их транспорт.

Активный транспорт

Активный транспорт - это процесс, при котором клетка использует как транспортные белки, так и метаболическую энергию для транспортировки веществ через мембрану против градиента концентрации. Таким образом, активный транспорт позволяет клеткам накапливать необходимые вещества даже при более низкой концентрации на улице.Активный транспорт позволяет бактериям успешно конкурировать с другими организмами за ограниченные питательные вещества в их естественной среде обитания, и, как будет показано в Блоке 2, позволяет патогенам конкурировать с собственными клетками организма и бактериями нормальной флоры за одни и те же питательные вещества.

Энергия обеспечивается движущей силой протона, гидролизом АТФ или распадом некоторых других высокоэнергетических соединений, таких как фосфоенолпируват (PEP). Движущая сила протона - это градиент энергии, возникающий в результате движения ионов водорода (протонов) через мембрану от большей к меньшей концентрации ионов водорода.АТФ - это форма энергетических клеток, которые чаще всего используются для клеточной работы. PEP является одним из промежуточных высокоэнергетических фосфатных соединений, образующихся в конце гликолиза.

Специфические транспортные белки (белки-носители) необходимы для транспортировки большинства молекул, необходимых клетке, через ее цитоплазматическую мембрану. Это связано с тем, что концентрация питательных веществ в большинстве природных сред обычно довольно низкая. Транспортные белки позволяют клеткам накапливать питательные вещества даже из разреженной среды.Транспортные белки, участвующие в активном транспорте, включают антипортеры, симпортеры, белки системы АТФ-связывающих кассет (ABC) и белки, участвующие в групповой транслокации.

а. Антипортер: антипортеры - это транспортные белки, которые транспортируют одно вещество через мембрану в одном направлении, одновременно транспортируя второе вещество через мембрану в противоположном направлении (Рисунок \ (\ PageIndex {9} \) A). Антипортеры в бактериях обычно используют потенциальную энергию электрохимических градиентов протонов (H + ), то есть движущую силу протонов для совместного транспорта ионов, глюкозы и аминокислот против их градиента концентрации (Рисунок \ (\ PageIndex {9}) \) Б).Ионы натрия (Na + ) и протоны (H + ), например, совместно переносятся через бактериальные мембраны антипортерами.

г. Симпортер: симпортеры - это транспортные белки, которые одновременно транспортируют два вещества через мембрану в одном направлении (рис. \ (\ PageIndex {10} \) A). Симпортеры используют потенциальную энергию электрохимических градиентов протонов (H + ), то есть движущую силу протона для совместного транспорта ионов, глюкозы и аминокислот против их градиента концентрации (Рисунок \ (\ PageIndex {10} \) B ).Сульфат (HSO 4 - ) и протоны (H + ), а также фосфат (HPO 4 - ) и протоны (H + ) совместно переносятся через бактериальные мембраны симпортерами.

г. Система АТФ-связывающих кассет (ABC). Примером АТФ-зависимого активного транспорта, обнаруженного у различных грамотрицательных бактерий, является система АТФ-связывающих кассет (ABC). Это включает субстрат-специфические связывающие белки, расположенные в бактериальной периплазме, гелеобразном веществе между стенкой бактериальной клетки и цитоплазматической мембраной.Связывающий периплазму белок улавливает вещество, которое должно транспортироваться, и переносит его к трансмембранному транспортному белку (рис. \ (\ PageIndex {11} \) A). Между тем, белок, гидролизующий АТФ, расщепляет АТФ на АДФ, фосфат и энергию (Рисунок \ (\ PageIndex {11} \) B). Именно эта энергия обеспечивает транспорт субстрата через мембранно-связывающий транспортер через мембрану (рисунок 11C и рисунок \ (\ PageIndex {11} \) D) в цитоплазму. Примеры активного транспорта включают транспорт определенных сахаров и аминокислот.У бактерий обнаружено более 200 различных транспортных систем ABC.

г. Групповая транслокация - еще одна форма активного транспорта, который может происходить у прокариот. В этом случае вещество химически изменяется во время его транспорта через мембрану, так что, оказавшись внутри, цитоплазматическая мембрана становится непроницаемой для этого вещества, и оно остается внутри клетки.

Примером групповой транслокации у бактерий является фосфотрансферазная система. Высокоэнергетическая фосфатная группа из фосфоенолпирувата (PEP) переносится рядом ферментов на глюкозу.Последний фермент фосфорилирует глюкозу и транспортирует ее через мембрану в виде глюкозо-6-фосфата (рис. \ (\ PageIndex {12} \) от A до 12D). (На самом деле это первый шаг в гликолизе.) Другие сахара, которые переносятся групповой транслокацией, - это манноза и фруктоза.

Функции цитоплазматической мембраны, отличные от селективной проницаемости

Ряд других функций связан с бактериальной цитоплазматической мембраной и ассоциированными белками набора механизмов деления клеток, известных как дивисома.Фактически, многие функции, связанные со специализированными внутренними мембраносвязанными органеллами в эукариотических клетках, обычно выполняются у бактерий цитоплазматической мембраной. Функции, связанные с бактериальной цитоплазматической мембраной и / или дивисомой, включают:

  1. производство энергии. Электронно-транспортная система (рис.) Для бактерий с аэробным и анаэробным дыханием, а также фотосинтез для бактерий, преобразующая световую энергию в химическую энергию, расположена в цитоплазматической мембране.
  2. подвижность. Двигатель, приводящий во вращение жгутики бактерий (см. Рис.), Расположен в цитоплазматической мембране.
  3. Фильм подвижных Rhodobacter spheroides с флуоресцентными мечеными жгутиками. Предоставлено доктором Ховардом С. Бергом из Института Роланда в Гарварде.
  4. вывоз мусора. Отходы продуктов метаболизма внутри бактерии должны выходить через цитоплазматическую мембрану.
  5. образование эндоспор (обсуждается далее в этом разделе; см. Рис.и анимация).

Бинарное деление

Бактерии делятся бинарным делением, при котором одна бактерия делится на две. Следовательно, бактерии увеличивают свою численность за счет геометрической прогрессии, в результате чего их популяция удваивается с каждым поколением. В целом считается, что во время репликации ДНК (обсуждаемой в Блоке 6) каждая нить реплицирующейся бактериальной ДНК прикрепляется к белкам в том месте, которое станет плоскостью деления клетки. Например, белки Par функционируют для разделения бактериальных хромосом на противоположных полюсах клетки во время деления клетки.Они связываются с источником репликации ДНК и физически растягивают или раздвигают хромосомы, подобно митотическому аппарату эукариотических клеток.

Рисунок \ (\ PageIndex {8} \): Бактериальный дивизом. В целом считается, что во время репликации ДНК (обсуждаемой в Блоке 6) каждая нить реплицирующейся бактериальной ДНК прикрепляется к белкам в том месте, которое станет плоскостью деления клетки. Например, белки Par функционируют для разделения бактериальных хромосом на противоположных полюсах клетки во время деления клетки.Они связываются с источником репликации ДНК и физически растягивают или раздвигают хромосомы, подобно митотическому аппарату эукариотических клеток. В центре бактерии группа белков, называемых Fts (нитевидные термочувствительные), белки взаимодействуют, образуя кольцо в плоскости деления клетки. Эти белки образуют аппарат деления клеток, известный как дивисома, и непосредственно участвуют в делении бактериальных клеток путем бинарного деления. Дивисома отвечает за управление синтезом новой цитоплазматической мембраны и нового пептидогликана с образованием перегородки деления.

В центре бактерии группа белков, называемых Fts (нитевидные термочувствительные), взаимодействует, образуя кольцо в плоскости деления клетки. Эти белки образуют аппарат деления клетки, известный как дивисома, и непосредственно участвуют в делении бактериальной клетки путем бинарного деления (Рисунок \ (\ PageIndex {1} \) и Рисунок \ (\ PageIndex {13} \)).

  • электронная микрофотография дивисома: см. Раздел «Отделение бактериальных клеток», лаборатория Джона Беквита.

Дивисома отвечает за управление синтезом новой цитоплазматической мембраны и нового пептидогликана с образованием перегородки деления.Была идентифицирована функция ряда белков дивизом, в том числе:

  • MinE: Направляет образование кольца FtsZ и комплекса дивисом в плоскости деления бактерии.
  • FtsZ: Подобно тубулину в эукариотических клетках, FtsZ образует сужающееся кольцо в месте деления. Когда FtsZ деполимеризуется, он направляет внутренний рост клеточной стенки с образованием перегородки деления. Он обнаружен как в бактериях , так и в архей , а также в митохондриях и хлоропластах.
  • ZipA: белок, который соединяет кольцо FtsZ с бактериальной цитоплазматической мембраной.
  • FtsA: АТФаза, которая расщепляет АТФ, чтобы обеспечить энергию для деления клеток, а также помогает соединить кольцо FtsZ с цитоплазматической мембраной бактерий.
  • FtsK: Помогает в разделении реплицированной бактериальной хромосомы.
  • FtsI: Необходим для синтеза пептидогликана.

- Сканирующая электронная микрофотография делящегося Escherichia coli ; любезно предоставлено CDC.

- Сканирующая электронная микрофотография деления Salmonella typhimurium ; любезно предоставлено CDC.

- Чтобы просмотреть электронную микрофотографию делящихся стрептококков, см. Домашнюю страницу Университета Рокфеллера.

Использование противомикробных агентов, изменяющих цитоплазматическую мембрану для борьбы с бактериями

Как будет обсуждаться позже в Разделе 2, очень мало антибиотиков, таких как полимиксины и тироцидины, а также многие дезинфицирующие и антисептические средства, такие как ортофенилфенол, хлоргексидин, гексахлорфенол зефиран, алкоголь, триклозаны и др., используемые во время дезинфекции, изменяют микробные цитоплазматические мембраны и вызывают утечку клеточных потребностей.

Резюме

  1. Цитоплазматическая мембрана бактерий представляет собой жидкий фосфолипидный бислой, который окружает цитоплазму бактерий.
  2. Цитоплазматическая мембрана полупроницаема и определяет, какие молекулы входят в бактериальную клетку и покидают ее.
  3. Пассивная диффузия - это чистое движение газов или небольших незаряженных полярных молекул, таких как вода, через мембрану из области с более высокой концентрацией в область с более низкой концентрацией.
  4. Пассивная диффузия обеспечивается за счет потенциальной энергии градиента концентрации и не требует затрат метаболической энергии или использования транспортных белков.
  5. Облегченная диффузия обеспечивается за счет потенциальной энергии градиента концентрации и не требует затрат метаболической энергии, но требует использования транспортных белков.
  6. Раствор относится к растворенному веществу, растворенному в растворителе.
  7. Осмос - это движение воды через мембрану из области с более высокой концентрацией воды (более низкая концентрация растворенного вещества) в область с более низкой концентрацией воды (более высокая концентрация растворенного вещества) за счет как пассивной диффузии, так и облегченной диффузии.
  8. Активный транспорт - это процесс, при котором клетка использует как транспортные белки, так и метаболическую энергию для транспортировки веществ через мембрану против градиента концентрации.
  9. Большинство молекул и ионов, которые необходимы клетке для концентрации в цитоплазме для поддержания жизни, требуют активного транспорта для проникновения в клетку.
  10. Чтобы колонизировать любую среду, бактерия должна иметь возможность эффективно использовать свои транспортные системы, чтобы конкурировать с другими бактериями, а также с клетками других организмов, такими как клетки человека, за ограниченное количество питательных веществ.
  11. Бактерии делятся на две части и увеличивают свое количество в геометрической прогрессии.
  12. Некоторые противомикробные агенты изменяют микробные цитоплазматические мембраны и вызывают утечку клеточных потребностей.

Вопросы

Изучите материал этого раздела, а затем запишите ответы на эти вопросы. Не просто нажимайте на ответы и записывайте их. Это не будет проверять ваше понимание этого руководства.

  1. Сопоставьте следующие описания с наилучшим ответом.

    _____ Белки, которые в присутствии энергии переносят два вещества одновременно через мембрану в противоположных направлениях. (ans)

    _____ Белки, которые в присутствии энергии переносят два вещества одновременно через мембрану в одних и тех же направлениях. (ans)

    _____ Движение воды через мембрану от области с более высокой концентрацией воды (более низкая концентрация растворенного вещества) к более низкой концентрации воды (более высокая концентрация растворенного вещества). (ans)

    _____ Чистое движение газов или небольших разряженных полярных молекул через двухслойную фосфолипидную мембрану из области с более высокой концентрацией в область с более низкой концентрацией. Никакой метаболической энергии не требуется. (ans)

    _____ Транспорт, при котором клетка использует транспортные белки, такие как антипортеры или симпортеры, и метаболическую энергию для транспортировки веществ через мембрану против градиента концентрации. (ans)

    _____ Если чистый поток воды выходит из ячейки, ячейка находится в ________________ окружающей среде. (ans)

    _____ Если чистый поток воды попадает в ячейку, ячейка находится в ________________ окружающей среде. (ans)

    1. унипортеры
    2. симпортеры
    3. антипортеры
    4. активный транспорт
    5. групповая транслокация
    6. пассивная диффузия
    7. осмос
    8. гипотонический
    9. даже гипертонический
    10. при более низкой концентрации определенного питательного вещества вне бактерии, чем внутри, бактерия все еще может переносить это питательное вещество в свою цитоплазму.Объясните, как это могло произойти и что требуется для этого транспорта. (ans)
    11. Бактерия помещается в новую среду, и впоследствии из нее вытекает вода. Является ли эта новая среда изотонической, гипотонической или гипертонической для бактерий? Концентрация растворенного вещества выше внутри бактерии или снаружи? (ans)
    12. Бактерии обычно не растут в джемах и желе. Что может объяснить это с точки зрения осмоса? (ans)
    13. Определите следующее:
      1. бинарное деление (ans)
      2. геометрическая прогрессия (ans)
    14. Укажите функции следующих элементов при делении бактериальных клеток:
      1. Par белков ( ans)
      2. divisome (ans)
      3. FtsZ белки (ans)
    15. Множественный выбор (ans)

    Авторы и авторство

    Функция и структура клеточной мембраны

    Клеточная мембрана (плазматическая мембрана) - это тонкая полупроницаемая мембрана, которая окружает цитоплазму клетки.Его функция заключается в защите целостности внутренней части клетки, позволяя одним веществам проникать в клетку, не допуская попадания других веществ. Он также служит основой для прикрепления цитоскелета у одних организмов и клеточной стенки у других. Таким образом, клеточная мембрана также помогает поддерживать клетку и помогает поддерживать ее форму.

    Ключевые выводы

    • Клеточная мембрана - это многогранная мембрана, которая окружает цитоплазму клетки. Он защищает целостность клетки, а также поддерживает клетку и помогает поддерживать форму клетки.
    • Белки и липиды являются основными компонентами клеточной мембраны. Точная смесь или соотношение белков и липидов может варьироваться в зависимости от функции конкретной клетки.
    • Фосфолипиды - важные компоненты клеточных мембран. Они спонтанно образуют липидный бислой, который является полупроницаемым, так что только определенные вещества могут диффундировать через мембрану внутрь клетки.
    • Подобно клеточной мембране, некоторые клеточные органеллы окружены мембранами.Ядро и митохондрии - два примера.

    Другая функция мембраны - регулировать рост клеток за счет баланса эндоцитоза и экзоцитоза. При эндоцитозе липиды и белки удаляются из клеточной мембраны по мере интернализации веществ. При экзоцитозе везикулы, содержащие липиды и белки, сливаются с клеточной мембраной, увеличивая размер клетки. Клетки животных, клетки растений, прокариотические клетки и клетки грибов имеют плазматические мембраны. Внутренние органеллы также покрыты мембранами.

    Структура клеточной мембраны

    Британская энциклопедия / UIG / Getty Images

    Клеточная мембрана в основном состоит из смеси белков и липидов. В зависимости от расположения мембраны и ее роли в организме липиды могут составлять от 20 до 80 процентов мембраны, а остальное - белки. В то время как липиды помогают придать мембранам гибкость, белки контролируют и поддерживают химический климат клетки и помогают в переносе молекул через мембрану.

    Липиды клеточной мембраны

    Микроскопический вид фосфолипидов.

    Stocktrek Images / Getty Images

    Фосфолипиды являются основным компонентом клеточных мембран. Фосфолипиды образуют липидный бислой, в котором их гидрофильные (привлеченные водой) области головы спонтанно располагаются так, чтобы быть обращенными к водному цитозолю и внеклеточной жидкости, в то время как их гидрофобные (отталкиваемые водой) участки хвоста обращены в сторону от цитозоля и внеклеточной жидкости. Липидный бислой является полупроницаемым, что позволяет только определенным молекулам диффундировать через мембрану.

    Холестерин - еще один липидный компонент мембран клеток животных. Молекулы холестерина селективно распределены между фосфолипидами мембран. Это помогает удерживать клеточные мембраны от жесткости, предотвращая слишком плотную упаковку фосфолипидов. Холестерин не содержится в мембранах растительных клеток.

    Гликолипиды расположены на поверхности клеточных мембран и имеют присоединенную к ним углеводную сахарную цепь. Они помогают клетке распознавать другие клетки тела.

    Белки клеточной мембраны

    Липопротеины и PCSK9 связываются с рецепторами.

    МАУРИЦИО ДЕ АНДЖЕЛИС / НАУЧНАЯ ФОТОБИБЛИОТЕКА / Getty Images

    Клеточная мембрана содержит два типа ассоциированных белков. Белки периферической мембраны находятся вне мембраны и связаны с ней посредством взаимодействия с другими белками. Интегральные мембранные белки вставлены в мембрану и в большинстве своем проходят через мембрану. Части этих трансмембранных белков открыты с обеих сторон мембраны.Белки клеточной мембраны выполняют ряд различных функций.

    Структурные белки помогают придать клеткам поддержку и форму.

    Белки рецептора клеточной мембраны помогают клеткам общаться с внешней средой с помощью гормонов, нейротрансмиттеров и других сигнальных молекул.

    Транспортные белки , такие как глобулярные белки, переносят молекулы через клеточные мембраны посредством облегченной диффузии.

    Гликопротеины имеют присоединенную к ним углеводную цепь.Они встроены в клеточную мембрану и помогают межклеточной коммуникации и транспорту молекул через мембрану.

    Структуры эукариотических клеток

    Изображение хромосом.

    Библиотека научных фотографий - SCIEPRO / Getty Images

    Клеточная мембрана - это только один компонент клетки. В типичной эукариотической клетке животного также можно найти следующие клеточные структуры:

    • Центриоли - помогают организовать сборку микротрубочек.
    • Хромосомы - домашняя клеточная ДНК.
    • Реснички и жгутики - помощь в перемещении клеток.
    • Эндоплазматическая сеть - синтезирует углеводы и липиды.
    • Аппарат Гольджи - производит, хранит и отгружает определенные продукты сотовой связи.
    • Лизосомы - переваривают клеточные макромолекулы.
    • Митохондрии - обеспечивают клетку энергией.
    • Ядро
    • - контролирует рост и размножение клеток.
    • Пероксисомы - выводят токсины из алкоголя, образуют желчную кислоту и используют кислород для расщепления жиров.
    • Рибосомы - ответственные за продукцию белка посредством трансляции.

    Источники

    • Рис, Джейн Б. и Нил А. Кэмпбелл. Биология Кэмпбелла . Бенджамин Каммингс, 2011.

    Цитоплазматическая мембрана прокариотических и эукариотических клеток

    Компоненты плазменных мембран

    Плазматическая мембрана защищает клетку от внешней среды, опосредует клеточный транспорт и передает клеточные сигналы.

    Цели обучения

    Опишите функцию и компоненты плазматической мембраны

    Основные выводы

    Ключевые моменты
    • Основными компонентами плазматической мембраны являются липиды (фосфолипиды и холестерин), белки и углеводы.
    • Плазматическая мембрана защищает внутриклеточные компоненты от внеклеточной среды.
    • Плазматическая мембрана опосредует клеточные процессы, регулируя материалы, входящие и выходящие из клетки.
    • Плазматическая мембрана несет маркеры, которые позволяют клеткам узнавать друг друга и могут передавать сигналы другим клеткам через рецепторы.
    Ключевые термины
    • плазматическая мембрана : полупроницаемый барьер, окружающий цитоплазму клетки.
    • рецептор : белок на клеточной стенке, который связывается с определенными молекулами, чтобы они могли абсорбироваться в клетку.

    Структура плазменных мембран

    Плазматическая мембрана (также известная как клеточная мембрана или цитоплазматическая мембрана) - это биологическая мембрана, которая отделяет внутреннюю часть клетки от внешней среды.

    Основная функция плазматической мембраны - защищать клетку от окружающей среды. Плазматическая мембрана, состоящая из фосфолипидного бислоя со встроенными белками, избирательно проницаема для ионов и органических молекул и регулирует перемещение веществ в клетки и из них.Плазменные мембраны должны быть очень гибкими, чтобы определенные клетки, такие как красные и белые кровяные тельца, могли изменять форму при прохождении через узкие капилляры.

    Плазматическая мембрана также играет роль в закреплении цитоскелета, чтобы придать форму клетке, и в прикреплении к внеклеточному матриксу и другим клеткам, помогая группировать клетки вместе для образования тканей. Мембрана также поддерживает клеточный потенциал.

    Короче говоря, если ячейка представлена ​​замком, плазматическая мембрана - это стена, которая обеспечивает структуру для зданий внутри стены, регулирует, какие люди покидают и входят в замок, и передает сообщения в соседние замки и из них.Подобно тому, как дыра в стене может стать катастрофой для замка, разрыв плазматической мембраны заставляет клетку лизироваться и погибать.

    Плазматическая мембрана : Плазматическая мембрана состоит из фосфолипидов и белков, которые создают барьер между внешней средой и клеткой, регулируют транспортировку молекул через мембрану и связываются с другими клетками через белковые рецепторы.

    Плазменная мембрана и клеточный транспорт

    Движение вещества через избирательно проницаемую плазматическую мембрану может быть «пассивным» —i.е., происходящий без ввода клеточной энергии - или «активный» - то есть его транспортировка требует от клетки расходовать энергию.

    Клетка задействует ряд транспортных механизмов, в которых задействованы биологические мембраны:

    1. Пассивный осмос и диффузия: транспортирует газы (например, O 2 и CO 2) и другие небольшие молекулы и ионы
    2. Трансмембранные белковые каналы и переносчики: транспортирует небольшие органические молекулы, такие как сахара или аминокислоты
    3. Эндоцитоз: переносит большие молекулы (или даже целые клетки), поглощая их
    4. Экзоцитоз: удаляет или выделяет такие вещества, как гормоны или ферменты

    Плазменная мембрана и клеточная сигнализация

    Одной из наиболее сложных функций плазматической мембраны является ее способность передавать сигналы через сложные белки.Эти белки могут быть рецепторами, которые работают как приемники внеклеточных входов и как активаторы внутриклеточных процессов, или маркерами, которые позволяют клеткам узнавать друг друга.

    Мембранные рецепторы

    обеспечивают сайты внеклеточного прикрепления для эффекторов, таких как гормоны и факторы роста, которые затем запускают внутриклеточные ответы. Некоторые вирусы, такие как вирус иммунодефицита человека (ВИЧ), могут захватывать эти рецепторы, чтобы проникнуть в клетки, вызывая инфекции.

    Мембранные маркеры позволяют клеткам узнавать друг друга, что жизненно важно для клеточных сигнальных процессов, влияющих на формирование тканей и органов на раннем этапе развития.Эта функция маркирования также играет более позднюю роль в различении иммунного ответа «я» - «не-я». Белки-маркеры на эритроцитах человека, например, определяют группу крови (A, B, AB или O).

    3.3 Эукариотические клетки - Концепции биологии - 1-е канадское издание

    К концу этого раздела вы сможете:

    • Описать строение эукариотических растительных и животных клеток
    • Укажите роль плазматической мембраны
    • Обобщите функции основных клеточных органелл
    • Опишите цитоскелет и внеклеточный матрикс

    Посмотрите видео о кислороде в атмосфере.

    Здесь должно быть ясно, что эукариотические клетки имеют более сложную структуру, чем прокариотические клетки. Органеллы позволяют одновременно выполнять в клетке различные функции. Прежде чем обсуждать функции органелл внутри эукариотической клетки, давайте сначала рассмотрим два важных компонента клетки: плазматическую мембрану и цитоплазму.

    Рисунок 3.8 (a) На этом рисунке показана типичная животная клетка Рисунок 3.8 (b) На этом рисунке показана типичная растительная клетка.

    Какие структуры есть у растительной клетки, чего нет у животной клетки? Какие структуры есть у животной клетки, а у растительной нет? Растительные клетки имеют плазмодесмы, клеточную стенку, большую центральную вакуоль, хлоропласты и пластиды. Клетки животных имеют лизосомы и центросомы.

    Подобно прокариотам, эукариотические клетки имеют плазматическую мембрану (рис. 3.9), состоящую из фосфолипидного бислоя со встроенными белками , которые отделяют внутреннее содержимое клетки от окружающей среды.Фосфолипид - это молекула липида, состоящая из двух цепей жирных кислот, глицеринового остова и фосфатной группы. Плазматическая мембрана регулирует прохождение некоторых веществ, таких как органические молекулы, ионы и вода, предотвращая прохождение одних для поддержания внутренних условий, при этом активно вводя или удаляя другие. Другие соединения пассивно перемещаются через мембрану.

    Рис. 3.9. Плазматическая мембрана представляет собой бислой фосфолипидов со встроенными белками. Есть и другие компоненты, такие как холестерин и углеводы, которые могут быть обнаружены в мембране в дополнение к фосфолипидам и белку.

    Плазматические мембраны клеток, которые специализируются на абсорбции, сложены в виде пальцевидных выступов, называемых микроворсинками (единственное число = микроворсинки). Эта складка увеличивает площадь поверхности плазматической мембраны. Такие клетки обычно выстилают тонкий кишечник - орган, поглощающий питательные вещества из переваренной пищи. Это отличный пример соответствия формы функциям конструкции.

    Люди с глютеновой болезнью имеют иммунный ответ на глютен, белок, содержащийся в пшенице, ячмене и ржи.Иммунный ответ повреждает микроворсинки, и, таким образом, пораженные люди не могут усваивать питательные вещества. Это приводит к недоеданию, спазмам и диарее. Пациенты, страдающие глютеновой болезнью, должны соблюдать безглютеновую диету.

    Цитоплазма включает содержимое клетки между плазматической мембраной и ядерной оболочкой (структура будет обсуждена в ближайшее время). Он состоит из органелл, взвешенных в гелеобразном цитозоле, цитоскелете и различных химических веществах. Несмотря на то, что цитоплазма состоит на 70-80 процентов из воды, она имеет полутвердую консистенцию, которая обеспечивается белками внутри нее.Однако белки - не единственные органические молекулы, обнаруженные в цитоплазме. Там же находятся глюкоза и другие простые сахара, полисахариды, аминокислоты, нуклеиновые кислоты, жирные кислоты и производные глицерина. Ионы натрия, калия, кальция и многих других элементов также растворяются в цитоплазме. В цитоплазме происходят многие метаболические реакции, в том числе синтез белка.

    Если бы вы удалили все органеллы из клетки, оставались бы только плазматическая мембрана и цитоплазма? Нет.Внутри цитоплазмы все еще будут ионы и органические молекулы, а также сеть из белковых волокон , которая помогает поддерживать форму клетки, закрепляет определенные органеллы в определенных положениях, позволяет цитоплазме и везикулам перемещаться внутри клетки и позволяет одноклеточные организмы передвигаться самостоятельно. В совокупности эта сеть белковых волокон известна как цитоскелет. Внутри цитоскелета есть три типа волокон: микрофиламенты, также известные как актиновые филаменты, промежуточные филаменты и микротрубочки (Рисунок 3.10).

    Рисунок 3.10 Микрофиламенты, промежуточные волокна и микротрубочки составляют цитоскелет клетки.

    Микрофиламенты - самые тонкие из волокон цитоскелета, они участвуют в перемещении клеточных компонентов, например, во время деления клеток. Они также поддерживают структуру микроворсинок, обширную складку плазматической мембраны, обнаруженную в клетках, предназначенных для абсорбции. Эти компоненты также распространены в мышечных клетках и отвечают за сокращение мышечных клеток. Промежуточные волокна имеют средний диаметр и выполняют структурные функции, такие как поддержание формы клетки и закрепление органелл.Кератин, соединение, укрепляющее волосы и ногти, образует промежуточные волокна одного типа. Микротрубочки - самые толстые из волокон цитоскелета. Это полые трубки, которые быстро растворяются и восстанавливаются. Микротрубочки направляют движение органелл и представляют собой структуры, которые притягивают хромосомы к своим полюсам во время деления клетки. Они также являются структурными компонентами жгутиков и ресничек. В ресничках и жгутиках микротрубочки организованы в виде круга из девяти двойных микротрубочек снаружи и двух микротрубочек в центре.

    Центросома - это область около ядра клеток животных, которая функционирует как центр организации микротрубочек. Он содержит пару центриолей, две структуры, которые лежат перпендикулярно друг другу. Каждая центриоль представляет собой цилиндр из девяти троек микротрубочек.

    Центросома реплицируется до деления клетки, и центриоли играют роль в притяжении дублированных хромосом к противоположным концам делящейся клетки. Однако точная функция центриолей в делении клеток не ясна, поскольку клетки, у которых удалены центриоли, все еще могут делиться, а клетки растений, у которых нет центриолей, способны к делению клеток.

    Жгутики и реснички

    Жгутики (singular = flagellum) представляют собой длинные, похожие на волосы структуры, которые отходят от плазматической мембраны и используются для перемещения всей клетки (например, сперматозоидов, Euglena ). Когда присутствует, клетка имеет только один жгутик или несколько жгутиков. Однако, когда присутствуют реснички (singular = cilium), их много, и они проходят по всей поверхности плазматической мембраны. Это короткие, похожие на волосы структуры, которые используются для перемещения целых клеток (например, парамеций) или перемещения веществ по внешней поверхности клетки (например, ресничек клеток, выстилающих фаллопиевы трубы, которые перемещают яйцеклетку к матке, или реснички, выстилающие клетки дыхательных путей, которые перемещают твердые частицы в горло, в которые попала слизь).

    Эндомембранная система ( эндо, = внутри) представляет собой группу мембран и органелл в эукариотических клетках, которые работают вместе, чтобы модифицировать, упаковывать и транспортировать липиды и белки . Он включает ядерную оболочку, лизосомы, везикулы, эндоплазматический ретикулум и аппарат Гольджи, о которых мы вскоре поговорим. Хотя технически это не в пределах клетки, плазматическая мембрана включена в эндомембранную систему, потому что, как вы увидите, она взаимодействует с другими эндомембранозными органеллами.

    Ядро

    Обычно ядро ​​является наиболее заметной органеллой в клетке. Ядро (множественное число = ядра) содержит ДНК клетки в форме хроматина и направляет синтез рибосом и белков. Рассмотрим его подробнее (рис. 3.11).

    Рис. 3.11. Самая внешняя граница ядра - это ядерная оболочка. Обратите внимание, что ядерная оболочка состоит из двух фосфолипидных бислоев (мембран) - внешней мембраны и внутренней мембраны - в отличие от плазматической мембраны, которая состоит только из одного фосфолипидного бислоя.

    Ядерная оболочка представляет собой двухмембранную структуру , которая составляет самую внешнюю часть ядра (рис. 3.11). И внутренняя, и внешняя мембраны ядерной оболочки представляют собой бислои фосфолипидов.

    Ядерная оболочка перемежается с порами , которые контролируют прохождение ионов, молекул и РНК между нуклеоплазмой и цитоплазмой.

    Чтобы понять хроматин, полезно сначала рассмотреть хромосомы. Хромосомы - это структуры ядра, состоящие из ДНК, наследственного материала и белков.Эта комбинация ДНК и белков называется хроматином. У эукариот хромосомы представляют собой линейные структуры. У каждого вида есть определенное количество хромосом в ядрах клеток его тела. Например, у человека число хромосом составляет 46, тогда как у дрозофилы число хромосом равно восьми.

    Хромосомы видны и отличимы друг от друга только тогда, когда клетка готовится к делению. Когда клетка находится в фазах роста и поддержания своего жизненного цикла, хромосомы напоминают размотанный беспорядочный пучок нитей.

    Рисунок 3.12 На этом изображении показаны различные уровни организации хроматина (ДНК и белок). Рисунок 3.13 На этом изображении показаны парные хромосомы. (кредит: модификация работы NIH; данные шкалы от Мэтта Рассела)

    Мы уже знаем, что ядро ​​направляет синтез рибосом, но как оно это делает? Некоторые хромосомы имеют участки ДНК, кодирующие рибосомную РНК. Темно окрашенная область внутри ядра, называемая ядрышком (множественное число = ядрышки ), объединяет рибосомную РНК с ассоциированными белками для сборки рибосомных субъединиц, которые затем транспортируются через ядерные поры в цитоплазму.

    Эндоплазматический ретикулум

    Эндоплазматический ретикулум (ER) представляет собой серию взаимосвязанных мембранных канальцев, которые коллективно модифицируют белки и синтезируют липиды. Однако эти две функции выполняются в отдельных областях эндоплазматической сети: шероховатой эндоплазматической сети и гладкой эндоплазматической сети соответственно.

    Полая часть канальцев ER называется просветом или цистернальным пространством. Мембрана ER, представляющая собой бислой фосфолипидов, залитый белками, является непрерывной с ядерной оболочкой.

    Грубый эндоплазматический ретикулум (RER) назван так потому, что рибосомы, прикрепленные к его цитоплазматической поверхности, придают ему вид шипов при просмотре в электронный микроскоп.

    Рибосомы синтезируют белки, будучи прикрепленными к ER, что приводит к переносу их вновь синтезированных белков в просвет RER, где они претерпевают модификации, такие как сворачивание или добавление сахаров. RER также производит фосфолипиды для клеточных мембран.

    Если фосфолипидам или модифицированным белкам не суждено оставаться в RER, они будут упакованы в везикулы и транспортироваться из RER путем отпочкования от мембраны.Поскольку RER участвует в модификации белков, которые будут секретироваться из клетки, его много в клетках, секретирующих белки, таких как печень.

    Гладкая эндоплазматическая сеть (SER) является продолжением RER, но на ее цитоплазматической поверхности мало или совсем нет рибосом. Функции SER включают синтез углеводов, липидов (включая фосфолипиды) и стероидных гормонов; детоксикация лекарств и ядов; метаболизм алкоголя; и хранение ионов кальция.

    Аппарат Гольджи

    Мы уже упоминали, что пузырьки могут отпочковываться из ER, но куда они деваются? Перед достижением конечного пункта назначения липиды или белки в транспортных пузырьках необходимо отсортировать, упаковать и пометить, чтобы они оказались в нужном месте. Сортировка, маркировка, упаковка и распределение липидов и белков происходит в аппарате Гольджи (также называемом тельцом Гольджи), в серии уплощенных мембранных мешочков.

    Рис. 3.14 Аппарат Гольджи на этой просвечивающей электронной микрофотографии лейкоцита виден как стопка полукруглых сплющенных колец в нижней части этого изображения. Рядом с аппаратом Гольджи можно увидеть несколько пузырьков. (кредит: модификация работы Луизы Ховард; данные шкалы от Мэтта Рассела)

    Аппарат Гольджи имеет принимающую поверхность рядом с эндоплазматическим ретикулумом и высвобождающую поверхность на стороне от ER, по направлению к клеточной мембране. Транспортные пузырьки, которые образуются из ER, перемещаются к принимающей стороне, сливаются с ней и опорожняют свое содержимое в просвет аппарата Гольджи.Когда белки и липиды проходят через Гольджи, они претерпевают дальнейшие модификации. Наиболее частая модификация - добавление коротких цепочек молекул сахара. Затем вновь модифицированные белки и липиды маркируются небольшими молекулярными группами, чтобы их можно было направить в нужное место назначения.

    Наконец, модифицированные и меченые белки упаковываются в пузырьки, которые отпочковываются с противоположной стороны Гольджи. В то время как некоторые из этих пузырьков, транспортирующие пузырьки, откладывают свое содержимое в другие части клетки, где они будут использоваться, другие, секреторные пузырьки, сливаются с плазматической мембраной и высвобождают свое содержимое за пределы клетки.

    Количество Гольджи в различных типах клеток снова показывает, что форма следует за функцией внутри клеток. Клетки, которые участвуют в большой секреторной деятельности (например, клетки слюнных желез, которые секретируют пищеварительные ферменты, или клетки иммунной системы, которые секретируют антитела), имеют большое количество Гольджи.

    В клетках растений Гольджи играет дополнительную роль в синтезе полисахаридов, некоторые из которых включены в клеточную стенку, а некоторые используются в других частях клетки.

    Лизосомы

    В клетках животных лизосомы - это «мусоропровод» клетки. Пищеварительные ферменты в лизосомах помогают расщеплению белков, полисахаридов, липидов, нуклеиновых кислот и даже изношенных органелл. У одноклеточных эукариот лизосомы важны для переваривания пищи, которую они глотают, и для рециркуляции органелл . Эти ферменты активны при гораздо более низком pH (более кислом), чем ферменты, расположенные в цитоплазме. Многие реакции, происходящие в цитоплазме, не могут происходить при низком pH, поэтому преимущество разделения эукариотической клетки на органеллы очевидно.

    Лизосомы также используют свои гидролитические ферменты для уничтожения болезнетворных организмов, которые могут проникнуть в клетку. Хороший пример этого - группа белых кровяных телец, называемых макрофагами, которые являются частью иммунной системы вашего тела. В процессе, известном как фагоцитоз, часть плазматической мембраны макрофага инвагинирует (складывается) и поглощает патоген. Инвагинированный участок с патогеном внутри затем отщепляется от плазматической мембраны и становится пузырьком.Везикула сливается с лизосомой. Затем гидролитические ферменты лизосомы уничтожают патоген (рис. 3.15).

    Рис. 3.15. Макрофаг фагоцитировал потенциально патогенную бактерию в везикулу, которая затем сливается с лизосомой внутри клетки, так что патоген может быть уничтожен. Другие органеллы присутствуют в клетке, но для простоты не показаны.

    Везикулы и вакуоли

    Везикулы и вакуоли - это мембранные мешочки, которые функционируют при хранении и транспортировке.Вакуоли несколько крупнее пузырьков, и мембрана вакуоли не сливается с мембранами других клеточных компонентов. Везикулы могут сливаться с другими мембранами внутри клеточной системы. Кроме того, ферменты в вакуолях растений могут разрушать макромолекулы.

    Рис. 3.16. Эндомембранная система работает, чтобы модифицировать, упаковывать и транспортировать липиды и белки.

    Почему лицевая сторона цис Гольджи не обращена к плазматической мембране?

    Рибосомы - это клеточные структуры, ответственные за синтез белка . При просмотре в электронный микроскоп свободные рибосомы выглядят как кластеры или отдельные крошечные точки, свободно плавающие в цитоплазме. Рибосомы могут быть прикреплены либо к цитоплазматической стороне плазматической мембраны, либо к цитоплазматической стороне эндоплазматического ретикулума. Электронная микроскопия показала, что рибосомы состоят из больших и малых субъединиц. Рибосомы - это ферментные комплексы, отвечающие за синтез белка.

    Поскольку синтез белка важен для всех клеток, рибосомы находятся практически в каждой клетке, хотя в прокариотических клетках они меньше. Их особенно много в незрелых эритроцитах для синтеза гемоглобина, который участвует в транспортировке кислорода по всему телу.

    Митохондрии (единственное число = митохондрии) часто называют «электростанциями» или «энергетическими фабриками» клетки, потому что они отвечают за производство аденозинтрифосфата (АТФ), основной молекулы, переносящей энергию.Образование АТФ в результате расщепления глюкозы известно как клеточное дыхание. Митохондрии - это овальные органеллы с двумя мембранами (рис. 3.17), которые имеют собственные рибосомы и ДНК. Каждая мембрана представляет собой бислой фосфолипидов, залитый белками. Внутренний слой имеет складки, называемые кристами, которые увеличивают площадь поверхности внутренней мембраны. Область, окруженная складками, называется митохондриальным матриксом. Кристы и матрикс играют разные роли в клеточном дыхании.

    В соответствии с нашей темой «форма следует за функцией», важно отметить, что мышечные клетки имеют очень высокую концентрацию митохондрий, потому что мышечным клеткам требуется много энергии для сокращения.

    Рис. 3.17. На этой микрофотографии, полученной с помощью просвечивающего электронного микроскопа, показана митохондрия в электронном микроскопе. Обратите внимание на внутреннюю и внешнюю мембраны, кристы и митохондриальный матрикс.

    Пероксисомы - это маленькие круглые органеллы, окруженные одиночными мембранами. Они проводят реакции окисления, расщепляющие жирные кислоты и аминокислоты.Они также выводят токсины из многих ядов, которые могут попасть в организм. Алкоголь детоксифицируется пероксисомами в клетках печени. Побочным продуктом этих реакций окисления является перекись водорода H 2 O 2 , которая содержится в пероксисомах, чтобы предотвратить повреждение химическим веществом клеточных компонентов за пределами органелл. Перекись водорода безопасно расщепляется пероксисомальными ферментами на воду и кислород.

    Несмотря на их фундаментальное сходство, между клетками животных и растений существуют поразительные различия (см. Таблицу 3.1). Клетки животных имеют центриоли, центросомы (обсуждаемые в рамках цитоскелета) и лизосомы, тогда как клетки растений их не имеют. У растительных клеток есть клеточная стенка, хлоропласты, плазмодесматы и пластиды, используемые для хранения, а также большая центральная вакуоль, тогда как у животных клеток нет.

    Клеточная стенка

    На рисунке 3.8 b , диаграмме растительной клетки, вы видите структуру, внешнюю по отношению к плазматической мембране, которая называется клеточной стенкой. Стенка клетки представляет собой жесткое покрытие, которое защищает клетку, обеспечивает структурную поддержку и придает форму клетке.Клетки грибов и протистов также имеют клеточные стенки.

    В то время как главным компонентом стенок прокариотических клеток является пептидогликан, основной органической молекулой в стенке растительной клетки является целлюлоза, полисахарид, состоящий из длинных прямых цепей звеньев глюкозы. Когда информация о питании относится к пищевым волокнам, это относится к содержанию целлюлозы в пище.

    Хлоропласты

    Подобно митохондриям, хлоропласты также имеют собственную ДНК и рибосомы. Хлоропласты участвуют в фотосинтезе и могут быть обнаружены в эукариотических клетках, таких как растения и водоросли.При фотосинтезе углекислый газ, вода и световая энергия используются для производства глюкозы и кислорода. В этом основное различие между растениями и животными: растения (автотрофы) способны производить себе пищу, например глюкозу, тогда как животные (гетеротрофы) должны полагаться на другие организмы в качестве органических соединений или источника пищи.

    Подобно митохондриям, хлоропласты имеют внешнюю и внутреннюю мембраны, но внутри пространства, ограниченного внутренней мембраной хлоропласта, находится набор взаимосвязанных и уложенных друг на друга, заполненных жидкостью мембранных мешочков, называемых тилакоидами (рис.18). Каждый стек тилакоидов называется гранумом (множественное число = грана). Жидкость, заключенная во внутренней мембране и окружающая грану, называется стромой.

    Рис. 3.18. На этой упрощенной схеме хлоропласта показаны внешняя мембрана, внутренняя мембрана, тилакоиды, грана и строма.

    Хлоропласты содержат зеленый пигмент под названием хлорофилл, который улавливает энергию солнечного света для фотосинтеза. Как и в клетках растений, у фотосинтезирующих протистов также есть хлоропласты. Некоторые бактерии также осуществляют фотосинтез, но у них нет хлоропластов.Их фотосинтетические пигменты расположены в тилакоидной мембране внутри самой клетки.

    Эволюция в действии

    Эндосимбиоз: Мы упоминали, что и митохондрии, и хлоропласты содержат ДНК и рибосомы. Вы не задумывались, почему? Убедительные доказательства указывают на эндосимбиоз как на объяснение.

    Симбиоз - это взаимоотношения, при которых организмы двух разных видов живут в тесной ассоциации и обычно проявляют особую адаптацию друг к другу.Эндосимбиоз ( эндо- = внутри) - это отношения, в которых один организм живет внутри другого. Эндосимбиотические отношения изобилуют природой. Микробы, производящие витамин К, живут в кишечнике человека. Эти отношения полезны для нас, потому что мы не можем синтезировать витамин К. Это также полезно для микробов, потому что они защищены от других организмов и обеспечивают стабильную среду обитания и обильную пищу, живя в толстой кишке.

    Ученые давно заметили, что бактерии, митохондрии и хлоропласты похожи по размеру.Мы также знаем, что митохондрии и хлоропласты содержат ДНК и рибосомы, как и бактерии, и они напоминают типы, обнаруженные у бактерий. Ученые считают, что клетки-хозяева и бактерии сформировали взаимовыгодные эндосимбиотические отношения, когда клетки-хозяева поглощали аэробные бактерии и цианобактерии, но не уничтожали их. В процессе эволюции эти проглоченные бактерии стали более специализированными в своих функциях: аэробные бактерии превратились в митохондрии, а фотосинтезирующие бактерии - в хлоропласты.

    Центральная вакуоль

    Ранее мы упоминали вакуоли как важные компоненты растительных клеток. Если вы посмотрите на рис. 3.8 b , вы увидите, что каждая растительная клетка имеет большую центральную вакуоль, которая занимает большую часть клетки. Центральная вакуоль играет ключевую роль в регулировании концентрации воды в клетках при изменении условий окружающей среды. В клетках растений жидкость внутри центральной вакуоли обеспечивает тургорное давление, которое представляет собой внешнее давление, создаваемое жидкостью внутри клетки.Вы когда-нибудь замечали, что если вы забудете полить растение на несколько дней, оно увянет? Это потому, что когда концентрация воды в почве становится ниже, чем концентрация воды в растении, вода перемещается из центральных вакуолей и цитоплазмы в почву. По мере того как центральная вакуоль сжимается, клеточная стенка остается без поддержки. Эта потеря поддержки клеточных стенок растения приводит к его увяданию. Кроме того, эта жидкость имеет очень горький вкус, что препятствует употреблению насекомыми и животными.Центральная вакуоль также служит для хранения белков в развивающихся семенных клетках.

    Большинство клеток животных выделяют материалы во внеклеточное пространство. Основными компонентами этих материалов являются гликопротеины и белковый коллаген. В совокупности эти материалы называются внеклеточным матриксом (рис. 3.19). Мало того, что внеклеточный матрикс удерживает клетки вместе, образуя ткань, он также позволяет клеткам внутри ткани связываться друг с другом.

    Рисунок 3.19 Внеклеточный матрикс состоит из сети веществ, секретируемых клетками.

    Свертывание крови представляет собой пример роли внеклеточного матрикса в клеточной коммуникации. Когда клетки, выстилающие кровеносный сосуд, повреждены, они обнаруживают белковый рецептор, называемый тканевым фактором. Когда тканевой фактор связывается с другим фактором внеклеточного матрикса, он заставляет тромбоциты прилипать к стенке поврежденного кровеносного сосуда, стимулирует соседние гладкомышечные клетки кровеносного сосуда к сокращению (тем самым сужая кровеносный сосуд) и инициирует серию шаги, которые стимулируют тромбоциты производить факторы свертывания крови.

    Клетки также могут общаться друг с другом посредством прямого контакта, называемого межклеточными соединениями. Есть некоторые различия в том, как это делают клетки растений и животных. Плазмодесмы (единичное число = плазмодесма) представляют собой соединения между растительными клетками, тогда как контакты животных клеток включают плотные и щелевые соединения и десмосомы.

    В общем, длинные участки плазматических мембран соседних растительных клеток не могут касаться друг друга, потому что они разделены клеточными стенками, окружающими каждую клетку.Плазмодесмы - это многочисленные каналы, которые проходят между клеточными стенками соседних растительных клеток, соединяя их цитоплазму и позволяя транспортировать сигнальные молекулы и питательные вещества от клетки к клетке (рис. 3.20, a ).

    Рис. 3.20. Между ячейками существует четыре вида связи. (а) Плазмодесма - это канал между клеточными стенками двух соседних растительных клеток. (б) Плотные соединения соединяют соседние клетки животных. (c) Десмосомы соединяют две клетки животных вместе. (d) Щелевые соединения действуют как каналы между клетками животных.

    Плотное соединение - это водонепроницаемое уплотнение между двумя соседними клетками животных (рис. 3.20, b ). Белки плотно прижимают клетки друг к другу. Эта плотная адгезия предотвращает утечку материалов между ячейками. Плотные соединения обычно находятся в эпителиальной ткани, которая выстилает внутренние органы и полости и составляет большую часть кожи. Например, плотные соединения эпителиальных клеток, выстилающих мочевой пузырь, предотвращают утечку мочи во внеклеточное пространство.

    Также только в клетках животных обнаруживаются десмосомы, которые действуют как точечные сварные швы между соседними эпителиальными клетками (рис. 3.20, c ). Они удерживают клетки вместе в виде листов в растягивающихся органах и тканях, таких как кожа, сердце и мышцы.

    Щелевые соединения в клетках животных похожи на плазмодесмы в клетках растений в том, что они представляют собой каналы между соседними клетками, которые позволяют транспортировать ионы, питательные вещества и другие вещества, которые позволяют клеткам общаться (Рисунок 3.20 д ). Однако структурно щелевые контакты и плазмодесмы различаются.

    Таблица 3.1 Компоненты прокариотических и эукариотических клеток и их функции

    Компонент ячейки

    Функция

    Присутствует в прокариотах?

    Присутствует в клетках животных?

    Присутствует в клетках растений?

    Плазменная мембрана Отделяет ячейку от внешней среды; контролирует прохождение органических молекул, ионов, воды, кислорода и отходов внутрь и из клетки Есть Есть Есть
    Цитоплазма Обеспечивает структуру ячейки; место многих метаболических реакций; среда, в которой находятся органеллы Есть Есть Есть
    Нуклеоид Расположение ДНК Есть
    Ядро Клеточная органелла, в которой находится ДНК и управляет синтезом рибосом и белков Есть Есть
    Рибосомы Синтез белка Есть Есть Есть
    Митохондрии Производство АТФ / клеточное дыхание Есть Есть
    Пероксисомы Окисляет и расщепляет жирные кислоты и аминокислоты, а также выводит токсины из ядов Есть Есть
    Пузырьки и вакуоли Хранение и транспортировка; пищеварительная функция в растительных клетках Есть Есть
    Центросома Неустановленная роль в делении клеток животных; центр организации микротрубочек в клетках животных Есть
    Лизосомы Переваривание макромолекул; переработка изношенных органелл Есть
    Клеточная стенка Защита, структурная поддержка и поддержание формы ячеек Да, в первую очередь пептидогликан у бактерий, но не у архей Да, в основном целлюлоза
    Хлоропласты Фотосинтез Есть
    Эндоплазматическая сеть Модифицирует белки и синтезирует липиды Есть Есть
    Аппарат Гольджи Изменяет, сортирует, маркирует, упаковывает и распределяет липиды и белки Есть Есть
    Цитоскелет Поддерживает форму клетки, удерживает органеллы в определенных положениях, позволяет цитоплазме и пузырькам перемещаться внутри клетки и позволяет одноклеточным организмам двигаться независимо Есть Есть Есть
    Жгутик Мобильное передвижение Некоторые Некоторые Нет, за исключением спермы некоторых растений.
    Реснички Клеточное движение, движение частиц по внеклеточной поверхности плазматической мембраны и фильтрация Некоторые

    Сводка раздела

    Подобно прокариотической клетке, эукариотическая клетка имеет плазматическую мембрану, цитоплазму и рибосомы, но эукариотическая клетка обычно больше прокариотической клетки, имеет истинное ядро ​​(то есть ее ДНК окружена мембраной) и имеет другую мембрану. -связанные органеллы, которые позволяют разделить функции.Плазматическая мембрана представляет собой бислой фосфолипидов, залитый белками. Ядрышко внутри ядра является местом сборки рибосомы. Рибосомы находятся в цитоплазме или прикреплены к цитоплазматической стороне плазматической мембраны или эндоплазматического ретикулума. Они осуществляют синтез белка. Митохондрии выполняют клеточное дыхание и производят АТФ. Пероксисомы расщепляют жирные кислоты, аминокислоты и некоторые токсины. Пузырьки и вакуоли - это отсеки для хранения и транспортировки. В клетках растений вакуоли также помогают расщеплять макромолекулы.

    Клетки животных также имеют центросому и лизосомы. Центросома состоит из двух тел, центриолей, роль которых в делении клеток неизвестна. Лизосомы - это пищеварительные органеллы клеток животных.

    Растительные клетки имеют клеточную стенку, хлоропласты и центральную вакуоль. Стенка растительной клетки, основным компонентом которой является целлюлоза, защищает клетку, обеспечивает структурную поддержку и придает форму клетке. Фотосинтез происходит в хлоропластах. Центральная вакуоль расширяется, увеличивая клетку без необходимости производить больше цитоплазмы.

    Эндомембранная система включает ядерную оболочку, эндоплазматический ретикулум, аппарат Гольджи, лизосомы, везикулы, а также плазматическую мембрану. Эти клеточные компоненты работают вместе, чтобы модифицировать, упаковывать, маркировать и транспортировать мембранные липиды и белки.

    Цитоскелет состоит из трех различных типов белковых элементов. Микрофиламенты придают клетке жесткость и форму, а также облегчают клеточные движения. Промежуточные волокна несут напряжение и закрепляют на месте ядро ​​и другие органеллы.Микротрубочки помогают клетке сопротивляться сжатию, служат дорожками для моторных белков, которые перемещают везикулы через клетку и тянут реплицированные хромосомы к противоположным концам делящейся клетки. Они также являются структурными элементами центриолей, жгутиков и ресничек.

    Клетки животных общаются через свои внеклеточные матрицы и связаны друг с другом плотными контактами, десмосомами и щелевыми контактами. Клетки растений связаны и общаются друг с другом с помощью плазмодесм.

    клеточная стенка: жесткое клеточное покрытие, состоящее из целлюлозы у растений, пептидогликана у бактерий, непептидогликановых соединений у архей и хитина у грибов, которое защищает клетку, обеспечивает структурную поддержку и придает форму клетке

    центральная вакуоль: крупная органелла растительной клетки, которая действует как хранилище, резервуар для воды и место разложения макромолекул

    хлоропласт: органелла растительной клетки, осуществляющая фотосинтез

    реснички: (множественное число: реснички) короткая, похожая на волосы структура, которая в большом количестве выступает от плазматической мембраны и используется для перемещения всей клетки или перемещения веществ по внешней поверхности клетки

    цитоплазма: вся область между плазматической мембраной и ядерной оболочкой, состоящая из органелл, взвешенных в гелеобразном цитозоле, цитоскелете и различных химических веществах

    цитоскелет: сеть белковых волокон, которая в совокупности поддерживает форму клетки, удерживает некоторые органеллы в определенных положениях, позволяет цитоплазме и везикулам перемещаться внутри клетки и позволяет одноклеточным организмам перемещаться

    цитозоль: гелеобразный материал цитоплазмы, в которой подвешены клеточные структуры

    десмосома: связь между соседними эпителиальными клетками, которая образуется, когда кадгерины в плазматической мембране прикрепляются к промежуточным филаментам

    эндомембранная система: группа органелл и мембран в эукариотических клетках, которые работают вместе для модификации, упаковки и транспортировки липидов и белков

    эндоплазматический ретикулум (ER): серия взаимосвязанных мембранных структур внутри эукариотических клеток, которые коллективно модифицируют белки и синтезируют липиды

    внеклеточный матрикс: материал, в первую очередь коллаген, гликопротеины и протеогликаны, секретируемый клетками животных, который удерживает клетки вместе как ткань, позволяет клеткам связываться друг с другом и обеспечивает механическую защиту и закрепление клеток в ткани

    жгутик: (множественное число: жгутики) длинная волосовидная структура, которая простирается от плазматической мембраны и используется для перемещения клетки.

    щелевое соединение: канал между двумя соседними клетками животных, который позволяет ионам, питательным веществам и другим веществам с низким молекулярным весом проходить между клетками, позволяя клеткам общаться

    Аппарат Гольджи: эукариотическая органелла, состоящая из ряда уложенных друг на друга мембран, которые сортируют, маркируют и упаковывают липиды и белки для распределения

    лизосома: органелла в животной клетке, которая функционирует как пищеварительный компонент клетки; расщепляет белки, полисахариды, липиды, нуклеиновые кислоты и даже изношенные органеллы

    митохондрии: (единственное число: митохондрии) клеточные органеллы, ответственные за осуществление клеточного дыхания, что приводит к выработке АТФ, основной молекулы, несущей энергию клетки.

    ядерная оболочка: структура с двойной мембраной, которая составляет самую внешнюю часть ядра

    ядрышко: темное тело в ядре, которое отвечает за сборку рибосомных субъединиц

    ядро: клеточная органелла, в которой находится ДНК клетки и управляет синтезом рибосом и белков

    пероксисома: небольшая круглая органелла, которая содержит перекись водорода, окисляет жирные кислоты и аминокислоты и выводит токсины из многих ядов

    плазматическая мембрана: фосфолипидный бислой со встроенными (интегральными) или прикрепленными (периферическими) белками, который отделяет внутреннее содержимое клетки от окружающей среды

    Plasmodesma: (множественное число: Plasmodesmata) канал, который проходит между клеточными стенками соседних растительных клеток, соединяет их цитоплазму и позволяет транспортировать материалы от клетки к клетке

    рибосома: клеточная структура, которая осуществляет синтез белка

    грубый эндоплазматический ретикулум (RER): область эндоплазматического ретикулума, усеянная рибосомами и участвующая в модификации белка

    гладкая эндоплазматическая сеть (SER): область эндоплазматической сети, которая имеет мало или не имеет рибосом на своей цитоплазматической поверхности и синтезирует углеводы, липиды и стероидные гормоны; детоксифицирует химические вещества, такие как пестициды, консерванты, лекарства и загрязнители окружающей среды, и накапливает ионы кальция

    плотное соединение: плотное соединение между двумя соседними клетками животных, созданное прилипанием белка

    вакуоль: мембраносвязанный мешок размером несколько больше пузырька, который выполняет функцию хранения и транспорта клеток

    везикула: небольшой мембраносвязанный мешок, который выполняет функции хранения и транспорта клеток; его мембрана способна сливаться с плазматической мембраной и мембранами эндоплазматического ретикулума и аппарата Гольджи

    Атрибуция в СМИ

    • Рисунок 3.11: модификация работы NIGMS, NIH
    • Рисунок 3.13: модификация работы NIH; данные масштабной линейки от Мэтта Рассела
    • Рисунок 3.14: модификация работы Луизы Ховард; данные масштабной линейки от Мэтта Рассела
    • Рисунок 3.16: модификация работы Магнуса Манске
    • Рисунок 3.17: модификация работы Мэтью Бриттона; данные масштабной линейки от Мэтта Рассела
    • Рисунок 3.20: модификация работы Марианы Руис Вильярреаль

    Молекулярные выражения Биология клетки: структура клетки бактерий



    Структура клетки бактерий

    Они настолько не связаны с людьми, насколько это могут быть живые существа, но бактерии необходимы для жизни человека и жизни на планете Земля.Хотя они печально известны своей ролью в возникновении болезней человека, от кариеса до черной чумы, существуют полезные виды, которые необходимы для хорошего здоровья.

    Например, один вид, который живет симбиотически в толстой кишке, производит витамин К, важный фактор свертывания крови. Другие виды приносят пользу косвенно. Бактерии придают йогурту пикантный вкус, а хлебу на закваске - кислый вкус. Они позволяют жвачным животным (коровы, овцы, козы) переваривать растительную целлюлозу, а некоторым растениям (соя, горох, люцерна) превращать азот в более пригодную для использования форму.

    Бактерии - это прокариоты, у которых отсутствуют четко выраженные ядра и мембраносвязанные органеллы, а хромосомы состоят из одного замкнутого круга ДНК. Они бывают разных форм и размеров, от мельчайших сфер, цилиндров и спиральных нитей до жгутиков и нитевидных цепочек. Они встречаются практически повсюду на Земле и обитают в самых необычных и, казалось бы, негостеприимных местах.

    Свидетельства показывают, что бактерии существовали 3 года.5 миллиардов лет назад, что сделало их одними из самых старых живых организмов на Земле. Археи (также называемые архебактериями) - крошечные прокариотические организмы, которые живут только в экстремальных условиях: кипящая вода, суперсоленые бассейны, извергающие серу вулканические жерла, кислая вода и глубоко в антарктических льдах, даже старше бактерий. Многие ученые теперь считают, что археи и бактерии развивались отдельно от общего предка почти четыре миллиарда лет назад. Миллионы лет спустя предки сегодняшних эукариот отделились от архей.Несмотря на внешнее сходство с бактериями, биохимически и генетически, археи так же отличаются от бактерий, как бактерии от людей.

    В конце 1600-х годов Антони ван Левенгук стал первым, кто изучал бактерии под микроскопом. В XIX веке французский ученый Луи Пастер и немецкий врач Роберт Кох продемонстрировали роль бактерий как патогенов (вызывающих болезни). Двадцатый век ознаменовался многочисленными достижениями бактериологии, свидетельствующими об их разнообразии, древнем происхождении и общем значении.В частности, ряд ученых по всему миру внесли свой вклад в область микробной экологии, продемонстрировав, что бактерии необходимы для пищевых сетей и для общего здоровья экосистем Земли. Открытие того, что некоторые бактерии производят соединения, смертельные для других бактерий, привело к разработке антибиотиков, которые произвели революцию в области медицины.

    Есть два разных способа группировать бактерии. Их можно разделить на три типа в зависимости от их реакции на газообразный кислород.Аэробные бактерии нуждаются в кислороде для своего здоровья и существования и без него умрут. Анэробные бактерии вообще не переносят газообразный кислород и погибают при его воздействии. Факультативные анераобы предпочитают кислород, но могут жить без него.

    Второй способ сгруппировать их по тому, как они получают свою энергию. Бактерии, которые должны потреблять и расщеплять сложные органические соединения, являются гетеротрофами. Сюда входят виды, которые встречаются в разлагающемся материале, а также те, которые используют ферментацию или дыхание.Бактерии, которые создают свою собственную энергию, подпитывающуюся светом или химическими реакциями, являются автотрофами.

    • Капсула - Некоторые виды бактерий имеют третье защитное покрытие - капсулу, состоящую из полисахаридов (сложных углеводов). Капсулы выполняют несколько функций, но наиболее важными из них являются предотвращение высыхания бактерий и их защита от фагоцитоза (поглощения) более крупными микроорганизмами. Капсула является основным фактором вирулентности для основных болезнетворных бактерий, таких как Escherichia coli и Streptococcus pneumoniae .Неинкапсулированные мутанты этих организмов авирулентны, то есть не вызывают заболеваний.

    • Клеточная оболочка - Клеточная оболочка состоит из двух-трех слоев: внутренней цитоплазматической мембраны, клеточной стенки и - у некоторых видов бактерий - внешней капсулы.

    • Клеточная стенка - Каждая бактерия окружена жесткой клеточной стенкой, состоящей из пептидогликана, молекулы белок-сахар (полисахарид).Стенка придает клетке форму и окружает цитоплазматическую мембрану, защищая ее от окружающей среды. Это также помогает закрепить придатки, такие как пили и жгутики, которые берут начало в цитоплазматической мембране и выступают через стенку наружу. Прочность стенки отвечает за удержание клетки от разрыва, когда есть большие различия в осмотическом давлении между цитоплазмой и окружающей средой.

      Состав клеточной стенки у разных бактерий сильно различается и является одним из наиболее важных факторов при анализе и дифференциации видов бактерий.Например, относительно толстая сетчатая структура, позволяющая различать два основных типа бактерий. Техника, разработанная датским врачом Гансом Кристианом Грамом в 1884 году, использует технику окрашивания и мытья, чтобы различать эти две формы. При воздействии пятен по Граму грамположительные бактерии сохраняют пурпурный цвет пятна, потому что структура их клеточных стенок задерживает краситель. У грамотрицательных бактерий клеточная стенка тонкая и легко выделяет краситель при промывании спиртовым или ацетоновым раствором.

    • Цитоплазма - Цитоплазма или протоплазма бактериальных клеток - это место, где выполняются функции роста, метаболизма и репликации клеток. Это гелеобразная матрица, состоящая из воды, ферментов, питательных веществ, отходов и газов и содержащая клеточные структуры, такие как рибосомы, хромосомы и плазмиды. Клеточная оболочка окружает цитоплазму и все ее компоненты. В отличие от эукариотических (настоящих) клеток, у бактерий нет ядра, заключенного в мембрану.Хромосома, одна непрерывная цепь ДНК, локализована, но не содержится в области клетки, называемой нуклеоидом. Все остальные клеточные компоненты разбросаны по цитоплазме.

    • Один из этих компонентов, плазмиды, представляют собой небольшие внехромосомные генетические структуры, переносимые многими штаммами бактерий. Как и хромосома, плазмиды состоят из кольцевого фрагмента ДНК. В отличие от хромосомы они не участвуют в воспроизводстве. Только хромосома имеет генетические инструкции для инициирования и осуществления деления клеток или бинарного деления, основного средства размножения у бактерий.Плазмиды реплицируются независимо от хромосомы и, хотя и не являются необходимыми для выживания, по-видимому, дают бактериям селективное преимущество.

      Плазмиды передаются другим бактериям двумя способами. Для большинства типов плазмид копии в цитоплазме передаются дочерним клеткам во время бинарного деления. Однако другие типы плазмид образуют трубчатую структуру на поверхности, называемую пилусом, которая передает копии плазмиды другим бактериям во время конъюгации - процесса, посредством которого бактерии обмениваются генетической информацией.Было показано, что плазмиды способствуют передаче особых свойств, таких как устойчивость к антибиотикам, устойчивость к тяжелым металлам и факторы вирулентности, необходимые для инфицирования животных или растений-хозяев. Возможность вставлять определенные гены в плазмиды сделала их чрезвычайно полезными инструментами в областях молекулярной биологии и генетики, особенно в области генной инженерии.

    • Цитоплазматическая мембрана - Слой фосфолипидов и белков, называемый цитоплазматической мембраной, окружает внутреннюю часть бактерии, регулируя поток материалов внутрь и из клетки.Это структурная черта, которую бактерии разделяют со всеми другими живыми клетками; барьер, который позволяет им выборочно взаимодействовать с окружающей средой. Мембраны высокоорганизованы и асимметричны, имеют две стороны, каждая из которых имеет различную поверхность и различные функции. Мембраны тоже динамичны, постоянно адаптируются к различным условиям.

    • Жгутики - Жгутики (единственные, жгутик) представляют собой волосовидные структуры, которые обеспечивают средства передвижения для тех бактерий, у которых они есть.Их можно найти на одном или обоих концах бактерии или по всей ее поверхности. Жгутики бьются пропеллером, помогая бактериям двигаться к питательным веществам; вдали от токсичных химикатов; или, в случае фотосинтетических цианобактерий; к свету.

    • Нуклеоид - Нуклеоид - это область цитоплазмы, в которой расположена хромосомная ДНК. Это не связанное с мембраной ядро, а просто область цитоплазмы, где находятся нити ДНК.У большинства бактерий есть одна круглая хромосома, которая отвечает за репликацию, хотя у некоторых видов есть две или более. Меньшие кольцевые вспомогательные цепи ДНК, называемые плазмидами, также обнаруживаются в цитоплазме.

    • Пили - У многих видов бактерий есть пили (единичные, пилусы), небольшие волосовидные выступы, выходящие из внешней поверхности клетки. Эти наросты помогают бактериям прикрепляться к другим клеткам и поверхностям, таким как зубы, кишечник и камни.Без пилей многие болезнетворные бактерии теряют способность инфицировать, потому что они не могут прикрепляться к тканям хозяина. Специализированные пили используются для конъюгации, во время которой две бактерии обмениваются фрагментами плазмидной ДНК.

    • Рибосомы - Рибосомы - это микроскопические «фабрики», обнаруженные во всех клетках, включая бактерии. Они переводят генетический код с молекулярного языка нуклеиновой кислоты на язык аминокислот - строительных блоков белков.Белки - это молекулы, которые выполняют все функции клеток и живых организмов. Бактериальные рибосомы похожи на рибосомы эукариот, но меньше по размеру и имеют несколько иной состав и молекулярную структуру. Бактериальные рибосомы никогда не связаны с другими органеллами, как иногда (связаны с эндоплазматическим ретикулумом) у эукариот, но представляют собой автономные структуры, распределенные по всей цитоплазме. Между бактериальными рибосомами и эукариотическими рибосомами существует достаточно различий, поэтому некоторые антибиотики будут подавлять функционирование бактериальных рибосом, но не эукариотических, таким образом убивая бактерии, но не эукариотические организмы, которые они заражают.

    ВЕРНУТЬСЯ В ДОМАШНЮЮ СТРУКТУРУ ЯЧЕЙКИ

    Вопросы или комментарии? Отправить нам письмо.
    © 1995-2021, автор - Майкл В. Дэвидсон и Государственный университет Флориды. Все права защищены. Никакие изображения, графика, программное обеспечение, сценарии или апплеты не могут быть воспроизведены или использованы каким-либо образом без разрешения правообладателей. Использование этого веб-сайта означает, что вы соглашаетесь со всеми юридическими положениями и условиями, изложенными владельцами.
    Этот веб-сайт поддерживается нашим

    Команда графического и веб-программирования
    в сотрудничестве с оптической микроскопией в Национальной лаборатории сильного магнитного поля
    .
    Последнее изменение: пятница, 13 ноября 2015 г., 14:18
    Счетчик доступа с 1 октября 2000 г .: 2831934
    Микроскопы предоставлены:

    Эффективная замена фосфолипидов и сфинголипидов наружной створки плазматической мембраны в клетках экзогенными липидами

    Значение

    Использование метил-α-циклодекстрина для полной замены эндогенных сфинголипидов и фосфолипидов в наружных створках плазматической мембраны живых клеток млекопитающих экзогенными природными и в статье представлены неестественные липиды.Были оценены виды липидов наружных створок, причем липиды, обмененные из наружных створок плазматической мембраны, соответствовали ожидаемой липидной асимметрии. Этот метод сделает возможным ряд исследований структуры / функций мембран.

    Abstract

    Наше понимание мембран и функции мембранных липидов далеко отстает от понимания нуклеиновых кислот и белков, в основном из-за того, что трудно управлять липидным составом клеточной мембраны. Чтобы помочь решить эту проблему, мы показываем, что липидный обмен, катализируемый метил-α-циклодекстрином (MαCD), можно использовать для максимальной замены сфинголипидов и фосфолипидов во внешнем листке плазматической мембраны живых клеток млекопитающих экзогенными липидами, включая неприродные липиды. .Кроме того, эксперименты по липидному обмену показали, что 70-80% клеточного сфингомиелина находится во внешнем листке плазматической мембраны; асимметрия метаболически активных клеток была подобна той, которая была ранее определена для эритроцитов, о чем судили по липидному составу наружных створок; а фосфатидилхолин наружной створки плазматической мембраны имел значительно более низкий уровень ненасыщенности, чем фосфатидилхолин в остальной части клетки. Эти данные также предоставили приблизительную оценку общего количества клеточных липидов, находящихся в плазматической мембране (около половины).В дополнение к таким приложениям липидомики, метод обмена должен иметь широкий потенциал для исследования функции липидов и модификации клеточного поведения путем модификации липидов.

    За последние полвека наше понимание клеток и биологических процессов на клеточном уровне претерпело революцию, основанную на достижениях в нашей способности контролировать структуру и состав клеточных нуклеиновых кислот и белков. Напротив, наше понимание функции липидов в мембранах, окружающих клетки и их внутренние компартменты, прогрессирует гораздо медленнее.Основная проблема заключается в невозможности манипулировать составом липидов мембран так же легко, как другими клеточными молекулами. Это сложная проблема, усложняемая тем фактом, что плазматические мембраны эукариот проявляют асимметрию (то есть различие в липидном составе внутренних и наружных мембранных листков) в отношении их распределения липидов в липидном бислое. В общем, листок наружной мембраны в клетках млекопитающих состоит в основном из сфингомиелина (SM) и фосфатидилхолина (PC).Напротив, внутренний или цитоплазматический листок состоит в основном из аминофосфолипидов [например, фосфатидилэтаноламина (PE) и фосфатидилсерина (PS)] (1, 2). Асимметричное расположение липидов в клеточной мембране влияет на различные биологические свойства, такие как проницаемость мембраны, мембранный потенциал, поверхностный заряд, механическая стабильность мембран и форма мембраны (3-5). Следовательно, возможность манипулировать липидным составом мембраны живой клетки могла бы предоставить полезный инструмент для использования в исследовании и развитии патологического заболевания, опосредованного клеточной мембраной.В настоящее время существует ограниченное количество подходов к изучению функции липидов путем изменения липидного состава, использования ингибиторов синтеза и метаболической инженерии (6-8). Однако молекулы ингибитора действуют медленно, ограничены определенными классами липидов и не всегда достаточно специфичны. Метаболическая инженерия - мощный, но трудоемкий метод, который до сих пор эффективно применялся только к бактериям. Такие способы не позволяют эффективно вводить большое количество экзогенных липидов с определенными головными группами и составами ацильных цепей или вводить неприродные липиды.В этом отношении изменение липидного состава путем липидного обмена с использованием циклодекстринов (ЦД) является привлекательной альтернативой. ЦД, циклические олигомеры глюкозы с гидрофобной полостью, давно используются для переноса и модификации клеточных стеролов (9), но их использование для обмена сфинголипидов и фосфолипидов в клетках мало изучено. Предыдущие исследования показали, что фосфолипиды могут доставляться в клетки с помощью метил-β-циклодекстрина (MβCD), и что доставленные липиды не превращаются быстро (10, 11).Однако количество обмена было низким, за исключением липидов с короткими ацильными цепями. Кроме того, чтобы преодолеть эффекты экстракции холестерина с помощью MβCD, холестерин нужно было добавить обратно в клетки.

    Ранее мы разработали использование CD для осуществления эффективного липидного обмена наружной створки в модельных мембранных везикулах, определяя такие условия, при которых весь внешний липидный монослой (створка) липидного бислоя мембраны может быть заменен экзогенными липидами in situ с использованием MβCD или гидроксипропил (HP) αCD без нарушения липидного состава внутреннего листочка (12–18).Это позволило получить искусственные везикулы, которые имитируют естественные мембраны, имея как естественный липидный состав, так и асимметрию. Этот подход начинает находить применения в других лабораториях (19–22).

    В этом исследовании мы устанавливаем процедуру для эффективного обмена клеточных фосфолипидов и сфинголипидов из наружного листка клеточной плазматической мембраны живых клеток млекопитающих с экзогенными липидами, используя нагруженный липидами MαCD. Преимущество альфа-CD в том, что полость слишком мала для взаимодействия со стеролами (15).ТСХ и липидный МС проводили для анализа эффективности обмена и асимметрии клеточных липидов. Условия, обеспечивающие эффективный обмен, были определены и выявили важную базовую липидомную информацию, касающуюся липидного состава липидов плазматической мембраны наружных створок. Этот метод должен позволить в будущем проводить ряд исследований структуры и функций мембран.

    Результаты

    MαCD связывает различные фосфолипиды и сфинголипиды и может осуществлять эффективный липидный обмен в модельных мембранах.

    Предыдущие исследования показали, что MβCD сильно взаимодействует с фосфолипидами и холестерином, тогда как HPαCD специфично взаимодействует с фосфолипидами, но очень слабо (15, 23). Мы пришли к выводу, что MαCD, который, как и HPαCD, имеет полость, слишком маленькую для связывания холестерина, должен, подобно MβCD, сильно взаимодействовать с фосфолипидами. Чтобы подтвердить это, MαCD титровали до липидных пузырьков. Солюбилизация везикул, наблюдаемая, когда CD эффективно связывает липиды, индуцировалась MαCD в концентрациях несколько ниже, чем это необходимо для MβCD ( SI Приложение , рис.S1). Зависимость солюбилизации от структуры фосфолипидов была умеренной и была сходной для MαCD и MβCD. Чтобы подтвердить отсутствие специфичности фосфолипидов во время обмена, был разработан протокол липидного обмена в модельных мембранных везикулах, аналогичный тому, который был разработан ранее для MβCD (12). Эффективный обмен наблюдали с использованием яичного SM (eSM) для передачи липидов, обмененных на внешний листок акцепторных везикул, состоящих из 1: 1: 1 (моль: моль) 1-пальмитоил-2-олеоил-sn-глицеро-3-фосфоэтаноламина ( POPE) / 1-пальмитоил-2-олеоил-sn-глицеро-3-фосфо-L-серин (POPS) / 1-пальмитоил-2-олеоил-sn-глицерин-3-фосфохолин (POPC) с 40 мол.% Холестерина ( SI Приложение , рис.S2). POPC, POPE и POPS были заменены на eSM в аналогичной степени, с, возможно, немного меньшим обменом POPS. Поскольку циклодекстрины катализируют обмен липидов во внешнем листке мембран, после обмена в пузырьках должно быть асимметричное распределение липидов. Мечение POPE с помощью мембранно-непроницаемого зонда мечение тринитробензолсульфонатом подтвердило ожидаемую липидную асимметрию ( SI Приложение , рис. S2C).

    Процедура опосредованного MαCD обмена для клеток млекопитающих.

    Затем был разработан протокол экспериментов по обмену липидов с использованием клеток карциномы легкого A549, выращенных на планшетах для культивирования клеток (рис. 1). Клетки были чувствительны к обработке одним MαCD, округляя их в течение 15 мин ( SI, приложение , таблица S1). Чтобы избежать этого, MαCD предварительно инкубировали с липидными везикулами перед добавлением к клеткам. После инкубации клеток со смесью липид-MαCD раствор, содержащий MαCD и обмененные клеточные липиды, удаляли. Инкубация клеток с MαCD, предварительно смешанным со сфинголипидом или фосфолипидом, сохраняла нормальную морфологию клеток в течение 6 часов и более ( SI Приложение , Таблица S1).После обмена в оптимальных условиях выжило <1% клеток, окрашенных трипановым синим в цитоплазме (т.е.> 99% клеток). Обратите внимание, что поддержание нормальной морфологии очень чувствительно как к концентрации липидов, так и к концентрации MαCD. Сохранение нормального поведения клеток после инкубации со смесями липид-MαCD также наблюдалось при измерении опосредованного клатрином эндоцитоза трансферрина. Нормальные уровни эндоцитоза наблюдались после инкубации клеток с SM мозга (bSM) / MαCD, нагруженным POPC ( SI Приложение , рис.S3). Напротив, эндоцитоз сильно ингибировался после частичной экстракции клеточного холестерина с помощью MβCD.

    Рис. 1.

    Схематическое изображение липидного обмена в клетках. MαCD обозначен закрытым шестиугольником. Введенные в клетки экзогенные липиды показаны красным цветом. Эндогенные липиды показаны синим цветом.

    Кинетика MαCD-опосредованного обмена липидов внешнего листка плазматической мембраны с экзогенными липидами.

    Уровни обмена с использованием bSM в качестве донора определяли в условиях, избегающих изменений морфологии клеток.Для этого эндогенные клеточные липиды метаболически метили ацетатом 3 H, а клеточные липиды до и после обмена затем количественно определяли экстракцией с последующей ТСХ и измерением радиоактивности в каждой липидной полосе. SI Приложение , рис. S4 A показывает, что преобладающими клеточными фосфолипидами были PC, SM, PS + фосфатидилинозит (PI) и PE с небольшими количествами фосфатидилглицерина (PG) и кардиолипина (CL). Их относительный уровень радиоактивной метки (таблица 1) примерно соответствовал их общей концентрации в клетках, как было оценено путем обугливания пластин ВЭ-ТСХ ( SI Приложение , рис.S4 B ) и MS (таблица 1).

    Таблица 1.

    Влияние липидного обмена на содержание фосфолипидов и сфингомиелина в клетках

    Обмен отслеживали по введению экзогенного флуоресцентно меченного липида 1,2-дипальмитоил-sn-глицеро-3-фосфоэтаноламин- N - (7-нитро -2–1,3-бензоксадиазол-4-ил) (NBD-DPPE) в клетки и от степени катализированного MαCD удаления эндогенного липида. Затем уровни липидов после обмена сравнивали с уровнями до обмена. Доставка NBD-DPPE и удаление эндогенного SM, липида, преимущественно расположенного в наружных створках плазматической мембраны (PM) (2), следовали аналогичной кинетике с периодом полураспада порядка 15-20 мин при 37 ° C (рис. .2 А ). Обмен при 15 ° C был примерно в два раза меньше через 1 час, возможно, из-за более медленного обмена ( SI Приложение , рис. S5, A и B ). Ассоциация экзогенного NBD-DPPE с клетками в отсутствие MαCD была незначительной, показывая, что MαCD необходим для обмена липидов. Эксперименты также показали очень небольшую доставку экзогенного bSM или ее отсутствие в отсутствие MαCD (см. Ниже).

    Рис. 2.

    Эффективность и кинетика липидного обмена между нагруженными липидами MαCD и клетками A549 при 37 ° C.( A ) Кинетика липидного обмена с использованием 1,5 мМ bSM (или 1: 9 моль: моль NBD-DPPE / bSM) и 40 мМ MαCD. Удаление эндогенных SM измеряли по 3 H SM, остающимся в 3 H-меченных клетках A549 после липидного обмена; Было проанализировано 10% проб. Доставка флуоресцентного липида, меченного NBD, оценивали по уровню ассоциированной с клеткой флуоресценции NBD. Единицы флуоресценции произвольны. ( B ) Влияние концентрации MαCD на остаточный процент 3 H SM = [(имп.Процент обмененного эндогенного SM = 100% - остаточный процент 3 H SM. Экзогенный липид составлял 1,5 мМ bSM. ( C ) Влияние концентрации липида, смешанного с MαCD, на остаточный процент 3 H SM, остающийся в клетках A549 после липидного обмена. Концентрация MαCD составляла 40 мМ. Некоторые клетки округляли, когда концентрация экзогенного bSM составляла 0,2 мМ или меньше. ( D ) Различные комбинации липидов приводили к аналогичным уровням процентного обмена 3 H SM.Липиды состояли из 1,5 мМ bSM, 3 мМ POPC, 3 мМ 1: 1 (моль: моль) bSM / POPC или bSM / 1,2-диолеоил-sn-глицеро-3-фосфохолина. Концентрация MαCD составляла 40 мМ. Для B – D данные были нормализованы к уровню радиоактивного PS + PI в том же образце с использованием уравнения в процентах 3 H SM = (cpm SM после обмена / cpm SM до обмена) × (cpm PS + PI до обмена / имп / мин PS + PI после обмена) × 100%. PS и PI, которые мигрируют на TLC, являются липидами внутренней листочки, недоступными для обмена (как подтверждено на рис.3 А ). Для A – D показаны средние значения и SD из трех экспериментов. cpm, отсчетов в минуту.

    MαCD-опосредованная замена липидов наружной листочки плазматической мембраны экзогенными липидами является эффективной.

    Максимальная степень обмена радиоактивно меченных SM из клеток составляла около 70–75% (рис. 2 A – D ). На это максимальное значение не влияло изменение концентрации MαCD или экзогенных липидов (фиг. 2 B и C ).Несколько более высокий уровень удаления эндогенного SM путем обмена (~ 80%) был измерен с помощью МС (таблица 1). Уровни эндогенного обмена SM были одинаковыми для разных типов клеток ( SI Приложение , рис. S6), и когда в качестве экзогенного липида использовали bSM, POPC, bSM / POPC или eSM / 1,2-диолеоил-sn-глицеро -3-фосфохолиновая смесь (рис.2 D ). Трипсинизация клеток перед обменом не увеличивала уровни обмена, что указывает на то, что обмен не ограничивался контактами между клеткой и пластиной. После 30-минутного обмена с bSM и MαCD добавление свежей смеси bSM и MαCD привело к обмену только небольшого дополнительного количества эндогенного SM, и общий обмен был не более, чем для одного 1-часового цикла обмена ( SI Приложение , рис.S5 C ). Аналогичным образом, измерение количества экстрагированной радиоактивности, перенесенной из клеток в супернатант при обмене, показало, что подавляющее большинство обмениваемых эндогенных SM (85%) и PC (80%) было удалено после 30-минутного цикла обмена. Небольшая часть SM (15% от общего количества, извлеченного после двух раундов обмена) и PC (20% от общего количества, извлеченного после двух раундов обмена), появляющаяся в супернатанте после второго цикла обмена, может в основном представлять собой фон, являющийся результатом отслоение клеток или обломки клеток.

    Наиболее вероятное объяснение всех этих результатов состоит в том, что 70-80% обмен SM представляет собой полный обмен SM внешней створки PM, при этом неизменный пул SM недоступен для обмена из-за расположения в цитозольной створке PM или внутренних мембран. , что согласуется с предыдущими исследованиями (24).

    Обмен липидов, отличных от SM, согласуется с обменом, ограниченным липидами во внешнем листке PM.

    Как показано на рис. 3 A , в условиях максимального (∼75%) обмена SM, процентный обмен PC и PE был очень низким (10–15%), и практически не было обмена PS + PI. .(МС показывает, что PS и PI присутствуют в соотношении, близком к 1: 1; Таблица 1.) Все эти липиды либо обнаруживаются в больших количествах во внутренних мембранах, либо находятся в цитозольной створке, недоступной для MαCD. На эти выводы не повлияло то, как были нормализованы значения радиоактивности (Рис. 3 A против SI Приложение , Рис. S7). Обмен практически не влиял на уровни холестерина или триглицеридов ( SI Приложение , рис. S8).

    Рис. 3.

    Липидный состав и локализация клеточных и экзогенных липидов после обмена при 37 ° C.( A ) Процент остаточных эндогенных липидов 3 H в клетках A549 после 1 ч обмена с 1,5 мМ bSM и 40 мМ MαCD. (Радиоактивность после обмена / радиоактивность перед обменом) × 100% рассчитывали для каждого липида, как показано, со значениями до обмена, нормализованными до 100% для каждого липида. Показаны средние значения трех экспериментов и SD. ( B ) ТСХ липидов A549 после 1 ч обмена. Экзогенные липиды загружали на 40 мМ MαCD. (Дорожка 1) Контрольные образцы без MαCD или экзогенных липидов.(Дорожка 2) Обработка 1,5 мМ экзогенного bSM, но без MαCD. (Дорожка 3) Обмен с 1,5 мМ экзогенным bSM и MαCD. (Дорожка 4) Обмен с 3 мМ экзогенными POPC и MαCD. Показан участок с низкой подвижностью пластинки для ТСХ, на который хроматографировали 1/10 всего образца. Обратите внимание, что SM работает как несколько диапазонов.

    Аналогичные эксперименты с немеченым bSM, в которых уровни липидов оценивались путем обугливания липидных полос на ТСХ, дали результаты, аналогичные результатам, полученным с радиоактивно мечеными липидами. В соответствии с измерениями радиоактивности большая часть эндогенных SM удалялась при обмене с экзогенными POPC (рис.3 B , дорожка 4), тогда как на уровни PS + PI обмен не влиял (фиг. 3 B , дорожки 3 и 4). Доставка липидов была очень низкой или отсутствовала в отсутствие MαCD (фиг. 3 B , дорожка 2).

    Поскольку эндогенный SM составляет ∼40% от общего липида наружной створки (см. Ниже), полный обмен 1: 1 липида наружной створки с экзогенным SM должен увеличивать концентрацию SM в наружной створке плазматической мембраны в ∼2,5 раза (если SM наружной створки составляет 80% от общего SM, общее SM должно увеличиться на 2.2-кратный). Это примерно то, что наблюдали, судя по интенсивности окрашивания, при обугливании (фиг. 3 B , дорожки 2 и 3). Эксперименты МС с использованием замены неприродного липида N -гепадеканоил-d-эритросфингозилфосфорилхолина (C 17: 0 SM) в клетки дали аналогичные результаты. Количество экзогенного SM C 17: 0 в клетках после обмена было в 2,1 раза выше, чем количество общего эндогенного SM клетки до обмена (Таблица 1), что свидетельствует о полной замене фосфолипида и сфинголипида наружной створки PM в примерно 1: 1 процесс обмена.В общем, мы проверяли степень обмена не только с помощью радиоактивной метки, но и с помощью обугливания липидов при ТСХ и / или МС. Везде, где можно было сравнивать методы, они давали аналогичные ответы.

    Наконец, количество ганглиозида GM1 липидов наружных створок PM, обмененное из клеток, также согласуется с эффективным обменом липидов наружных створок PM. При анализе связывания флуоресцентно меченой субъединицы холерного токсина B было отменено ~ 90% связывания холерного токсина B ( SI Приложение , рис.S9), хотя это может не соответствовать точно 90% удалению GM1 (25).

    Интересно, что объединение наблюдения о том, что SM составляет 40% липида наружной створки, с наблюдением, что 9–14% всех липидов клетки составляет SM наружной створки (таблица 1), указывает на то, что в этих клетках наружная створка содержит ∼25–35 % от общего количества фосфолипидов и сфинголипидов (при условии, что гликосфинголипиды являются второстепенными липидными компонентами). Таким образом, можно оценить, что плазматическая мембрана содержит примерно ≥50% общих фосфолипидов и сфинголипидов.

    Асимметрия липидов внешней листочки и отчетливый состав ацильных цепей.

    Состав клеточного липида, экстрагированного MαCD, был таким, как и ожидалось, в связи с его происхождением из внешнего листка плазматической мембраны. Он содержал высокий уровень PC и SM, гораздо меньшее количество PE и небольшое количество PS + PI или его отсутствие (рис. 4 A ). В целом SM составлял ~ 40% экстрагированных липидов. Подобный общий состав липидов наружных створок был ранее обнаружен для плазматической мембраны эритроцитов (2).Эксперименты МС с использованием обмена экзогенного C 17: 0 SM в клетках предоставили дополнительную информацию о молекулярном составе видов липидов, обмененных из клеток; в частности, с точки зрения состава ацильной цепи ( SI Приложение , таблицы S2 и S3). В случае PC остаточные виды в клетках после обмена показали, что отношение высоконенасыщенных видов (с тремя или более двойными связями) к относительно менее ненасыщенным видам (с одной или двумя двойными связями) увеличивается на [0.99 / 0,74 - 1] × 100% = 34% ( SI Приложение , Таблица S2). Это говорит о том, что внешний листочек PM был обогащен видами, которые не являются сильно ненасыщенными, поскольку их предпочтительно удаляли при обмене. Это согласуется и расширяет предыдущее исследование MS, в котором сравнивали ненасыщенность целых ТЧ и целых клеток и обнаруживали обогащение менее высоконенасыщенных видов цельными ТЧ (26).

    Рис. 4.

    Эндогенные липиды, извлеченные из клеток, и локализация экзогенных липидов. ( A ) Эндогенные липиды, экстрагированные из клеток A549 при обмене с 1.5 мМ bSM и 40 мМ MαCD. Радиоактивность эндогенных липидов, экстрагированных из клеток A549 при обработке 1,5 мМ bSM, но без MαCD, использовали в качестве фона и вычитали. Показаны средние значения пяти экспериментов и SD. Все данные образца были рассчитаны на основе данных хроматографии 10% или 30% образца с соответствующим масштабированием. ( B ) Локализация экзогенного липида после обмена. Микрофотографии отдельных конфокальных срезов показывают репрезентативную клетку после 1 ч обмена с 1.5 мМ 1: 9 (моль: моль) NBD-DPPE / bSM, загруженный на 40 мМ MαCD ( Left, , без обработки), или после замены и 5-минутной инкубации с дитионитом ( Right , обработанный дитионитом).

    В случае эндогенных SM, хотя все виды показали высокий уровень обмена ( SI Приложение , Таблица S3, Right ), мы нашли соотношение для обмена на длинноцепочечные SM (с не менее чем 36 атомами углерода). ) по сравнению с короткоцепочечным SM (с менее чем 36 атомами углерода) увеличивается. Соотношение длинных и коротких форм СМ ацильных цепей увеличивается в 4 раза.Эти результаты демонстрируют, что виды SM с более короткой ацильной цепью были заменены в гораздо большей степени, чем виды с более длинной ацильной цепью, так что остаточные эндогенные SM в клетках после обмена были обогащены видами с длинной цепью ( SI Приложение , Таблица S3, Левый ). Это убедительно свидетельствует о том, что большая часть длинноцепочечных видов SM, чем короткоцепочечных, расположена где-то еще, чем внешний листок PM. Альтернативная возможность, избирательная экстракция короткоцепочечных SM с помощью MαCD, менее вероятна, потому что обмен липидов наружных створок, по-видимому, почти завершен.Для других видов фосфолипидов только небольшая часть видов находится во внешней листочке PM (рис. 3 A ), поэтому неудивительно, что нет очевидного влияния обмена на состав ацильной цепи остаточных липидов по сравнению с теми, которые присутствовали ранее. обмен был отмечен ( SI Приложение , Таблица S2).

    Обмениваемый NBD – липид в основном находится в плазматической мембране.

    Флуоресцентные микрофотографии показали локализацию на плазматической мембране NBD – липида, обмененного в клетках (рис.4 B , Левый ). Внешнее расположение створки показано от доступности группы NBD до разрушения относительно непроницаемым для мембран восстановителем дитионитом натрия (рис. 4 B , справа ). Большая часть флуоресценции быстро терялась при обработке дитионитом, со слабой остаточной флуоресценцией, связанной с внутренней частью клетки. Эта интерпретация была подтверждена спектроскопическими измерениями уменьшения флуоресценции NBD при обработке дитионитом, которые показали, что 70–80% NBD-липидов, обмененных в клетки, были доступны для дитионита ( SI Приложение , рис.S10). Доступность дитионита не сильно зависела от температуры.

    Кроме того, был проведен эксперимент, в котором оценивалось распределение экзогенных радиоактивно меченных SM, введенных в клетки после обмена. Как и в случае эндогенного SM, 80% экзогенного 14 C-SM, доставленного в клетки, может быть удалено посредством второго обмена, что показывает, что его распределение было аналогично распределению эндогенного липида ( SI Приложение , рис. S11). Это также указывает на то, что асимметрия СМ оставалась стабильной как минимум через 1 ч после первоначального обмена.Другой эксперимент был проведен по измерению содержания SM в клетках после замены липидов наружных листочков экзогенными SM. Повышенные уровни SM сохранялись в течение многих часов ( SI, приложение , рис. S12).

    Discussion

    Это исследование показывает, что простая и эффективная замена липидов наружных створок PM экзогенными липидами может быть достигнута в живых клетках. Этот процесс дает важную информацию о фракциях различных липидов в наружной створке PM. Состав головной группы липидов для культивируемых клеток был очень похож на ранее установленный с использованием эритроцитов (2).Это интересно, потому что, хотя они относительно просты в изучении, поскольку у них в основном отсутствуют внутренние мембраны, эритроциты не содержат и не выполняют те же сложные метаболические функции, что и большинство других клеток, и это могло изменить состав наружных створок. Кроме того, состав листка эритроцитов в значительной степени решается с помощью фосфолипаз (2), которые могут нарушать структуру мембраны, особенно если гидролиз липидов изменяет липидный флип-флоп между внутренним и внешним листком. Наш метод обмена должен быть гораздо менее тревожным, поэтому он должен быть широко применим для анализа асимметрии, который не претерпел значительных успехов с 1970-х годов (2).

    Мы также проверили степень липидного обмена не только с помощью радиоактивной метки, но и по общему уровню липидов, обнаруженному с помощью обугливания липидов на ТСХ, которая отражает общий липид, и с помощью МС. Каждый метод потенциально может дать несколько разные ответы. На радиоактивную метку можно повлиять, если радиоактивность по-разному распределяется в разных липидах. Обугливание в некоторой степени зависит от липидной ацильной цепи и структуры головной группы (хотя мы в основном использовали его для оценки изменений уровня одного типа головной группы).МС предполагает, что на чувствительность не влияет то, имеют ли стандарты структуры ацильных цепей, отличные от природных. Наблюдение за тем, что при сравнении этих различных методов они давали очень похожие ответы, указывает на то, что все они давали надежные результаты, несмотря на эти проблемы.

    Исследования обмена также показывают, что SM в основном является липидом внешней листочки PM в культивируемых клетках. Если метаболические процессы, такие как поперечная диффузия, не являются необычно активными, содержание SM в наружной створке PM должно значительно превышать содержание SM во внутренних мембранах плюс листочки цитозольной мембраны, чтобы обеспечить высокий уровень обмена SM, наблюдаемый в наших экспериментах.

    Проблема, которую не следует игнорировать, заключается в том, увеличивается ли липидный триггер (поперечная диффузия между листочками) во время или после липидного обмена. Если бы флип-флоп увеличился и распределение липидов во время обмена стало бы случайным, характер экстрагированных липидов сильно отличался бы от того, что мы наблюдали. Мы наблюдали, что экстрагированные липиды (PC и SM, небольшое количество PE, без PS + PI) соответствуют тому, что известно для наружной створки из исследований асимметрии красных кровяных телец. Кроме того, было показано, что распределение экзогенных радиоактивно меченных SM, введенных в клетки путем обмена, аналогично распределению эндогенных SM (~ 80% SM находится в наружном листке плазматической мембраны).Этого бы не наблюдалось, если бы SM равномерно распределялись между внутренней и внешней створкой (т.е. обмен 50% или меньше). Однако можно предположить, что с некоторыми экзогенными липидами, не протестированными в этом отчете (например, PE), может наблюдаться усиление триггера.

    Наблюдение за тем, что условия, которые сохраняют нормальную морфологию клеток, были разными для SM яйца, мозга и молока ( SI, приложение , таблица S1), показывает, что условия обмена чувствительны к структуре ацильной цепи. Мы еще не понимаем происхождение этого эффекта, но он показывает, что для будущих приложений оптимальные условия обмена должны быть определены экспериментально, и они не обязательно будут идентичны условиям в этом отчете.

    Метод обмена должен иметь важные биологические применения помимо описанных здесь, связанных с липидомным анализом. Сюда входят исследования того, как изменение липидного состава влияет на биологические функции. В связи с этим обмен должен значительно расширить возможности, которые могут быть достигнуты путем модификации липидов ингибиторами или разработки модифицированных путей синтеза липидов (6, 7). Обмен может быть полезным для введения очень широкого разнообразия липидов, липидов с определенной головной группой и составом с одной ацильной цепью, а также, как показано здесь, неестественных липидов.Введение негидролизуемых липидных аналогов позволило бы изучить функции фосфолипаз. Также может быть возможно нацелить липидный обмен для удаления определенных видов липидов. Для этого липиды наружных створок сначала выделяют из PM. После выделения различных видов липидов, например, с использованием ТСХ или ВЭЖХ, липидная смесь PM может быть восстановлена ​​с удалением одного конкретного вида липидов. Обмен с использованием этой восстановленной смеси приведет к селективному удалению целевого липида, отсутствующего в восстановленной смеси, из клеток.

    Следует также отметить, что обмен может также позволить изучить, как липиды влияют на белки PM в гораздо меньшей степени, чем когда белки сначала необходимо изолировать, а затем воссоздать в искусственных мембранах с другими липидами. Наконец, благоприятное изменение свойств клеток путем изменения липидов может иметь практическое применение в биотехнологии.

    Материалы и методы

    Материалы.

    Клеточная линия рака молочной железы MDA-MB-231, клетки почек COS 7, карцинома легкого A549 и клетки поджелудочной железы BxPC-3 получены из АТСС.bSM, eSM, сфингомиелин молока, C 17: 0 SM, POPC, 1,2-диолеоил-sn-глицеро-3-фосфохолин и NBD-DPPE, POPE, POPS и холестерин были от Avanti Polar Lipids. 3 H ацетат был от PerkinElmer, Inc. MαCD был приобретен у AraChem. Растворенный в дистиллированной воде MαCD был слегка мутным. Мутность удаляли фильтрованием через фильтр 0,2 мкм или центрифугированием. Для расчета концентрации измеряли показатель преломления растворов MαCD в воде на рефрактометре Бауша и Ломба.Значения показателя преломления сравнивали со стандартной кривой, построенной с использованием серии растворов осветленного MαCD, концентрация которых измерялась по сухой массе. 14 C-SM был от American Radiolabeled Chemicals (Сент-Луис). Перед использованием он был повторно очищен методом ТСХ. MβCD, FITC-конъюгированный холерный токсин B и порошок параформальдегида были приобретены у Sigma Aldrich. Среда RPMI 1640, DMEM, FBS, HBSS, PBS Дульбекко, 200 мг / л KCl, 200 мг / л KH 2 PO 4 , 8 г / л NaCl и 2.16 г / л Na 2 HPO 4 (DPBS) были торговой маркой Gibco и были приобретены у Life Technologies. Трансферрин, конъюгированный с Alexa Fluor 488 (TF-AF488) и CellMask Deep Red (раствор для окрашивания плазматической мембраны), были торговой маркой Molecular Probes и были получены от Life Technologies. Среду для закрепления VECTASHIELD покупали у Vector Laboratories, Inc. BSA получали от Millipore. 10 × PBS при pH 7,8 ± 0,2 при разведении до 1 × был куплен у Bio-Rad Laboratories Inc. Лимонная кислота и хлорид натрия были приобретены у Fisher Scientific.Использовалась дистиллированная и деионизированная вода. Остальные химические вещества были реактивными.

    Культура клеток.

    Клетки A549 и BxPC-3 культивировали в среде RPMI 1640. DMEM использовали для культивирования клеток MDA-MB-231 и COS 7. Все среды были дополнены 10% FBS. Все клетки культивировали в инкубаторе при 37 ° C с 5% CO. 2.

    Высокоэффективная ТСХ.

    Образцы и чистые стандарты липидов растворяли в смеси хлороформ / метанол, 1: 1 (об: об). В некоторых случаях липиды из образцов асимметричных везикул сначала экстрагировали с использованием смеси 2: 2: 1 (об.: Об.) Хлороформ / метанол / вода и сушили в потоке азота, но это не повлияло на результаты.Затем растворенные липиды наносили на пластины HP-TLC (Silica Gel 60) (Merck) или Uniplate Silica Gel G (Analtech, Inc.) и хроматографировали в смеси хлороформ / метанол / 28,0–65: 25: 5 (об: 5). 30,0% (об. / Об.) Гидроксида аммония. После хроматографии пластинки для ТСХ сушили на воздухе и насыщали 3% (масс. / Об.) Ацетатом меди - 8% (об / об) фосфорной кислотой путем распыления, а затем снова сушили на воздухе. Затем пластины обугливались при 180 ° C для образования липидных полос. Интенсивность липидных полос измеряли с помощью программного обеспечения ImageJ (Национальные институты здравоохранения).Липиды в образцах определяли количественно путем сравнения интенсивности полосы за вычетом фона с кривой, составленной из различных стандартных количеств каждого липида, хроматографированного на той же пластине для ТСХ. Интенсивность стандартных полос соответствовала линейной кривой зависимости интенсивности от количества липидов.

    Приготовление загруженного липидами MαCD для экспериментов по обмену липидов в клетках.

    Желаемое количество липидов, растворенных в органическом растворителе, вводили в стеклянные пробирки и сушили азотом, а затем в высоком вакууме в течение 1 часа.Многослойные везикулы получали из высушенных липидов при 70 ° C путем добавления предварительно нагретой среды RPMI 1640. Желаемое количество MαCD (из 400-мМ исходного раствора MαCD, растворенного в DPBS) добавляли к многослойным везикулам. Концентрация липидов и MαCD зависела от требований эксперимента, но наиболее обычными условиями были следующие: после смешивания липида и MαCD концентрация липидов составляла 1,5 мМ, а концентрация MαCD составляла 40 мМ. Затем смесь MαCD и липида инкубировали при 37 ° C в течение 30 мин.Затем нагруженную липидами смесь MαCD использовали для обмена липидов в клетках.

    Обмен липидов между клетками и нагруженным липидами MαCD.

    Если не указано иное, клетки культивировали в 10-см планшетах с 10 мл среды. После удаления ростовой среды и трехкратной промывки 10 мл DPBS, аликвоту 1500 мкл нагруженного липидами MαCD с 1,5 мМ липида и 40 мМ MαCD добавляли к ~ 90% конфлюэнтных клеток млекопитающих, культивированных в 100-мм чашках (Corning Incorporated. ). Клетки инкубировали с нагруженным липидами MαCD в течение 1 ч при 37 ° C, если не указано иное.После удаления нагруженного липидами MαCD и трех промывок 10 мл DPBS клетки удаляли с планшета соскабливанием в 5 мл DPBS. Клетки осаждали в стеклянной пробирке путем 3-минутного центрифугирования при 300 × 90 263 g в концентраторе Speed ​​Vac (Savant). Для экспериментов, в которых было два цикла обмена, после удаления супернатанта из первого цикла обмена в клетку добавляли свежую смесь липид-MαCD и проводили второй цикл обмена липидов.

    3 H Маркировка клеток, липидный обмен и экстракция липидов.

    Если не указано иное, 11 мкл 1,8 М ацетата натрия и 10 мкКи 3 H ацетата добавляли в 10-см чашки с 70% конфлюэнтными клетками A549 в 10 мл среды RPMI 1640 с добавлением 10% FBS. Клетки инкубировали 24 ч при 37 ° C. Затем среду удаляли и клетки трижды промывали 10 мл DPBS с добавлением 2 мМ ацетата натрия. (PH немного увеличился с 7,4 до 7,5 после добавления ацетата натрия.) Для типичных экспериментов 1,5 мл нагруженного липидами MαCD (40 мМ MαCD и 1.5 мМ bSM) добавляли в один планшет и в качестве контроля 1,5 мл 1,5 мМ многослойных везикул bSM добавляли в другой планшет. Планшеты инкубировали при 37 ° C в течение 1 ч в инкубаторе с 5% CO 2 . После инкубации супернатант удаляли для анализа 3 H-меченых липидов, замененных из клеток (описанных здесь). Для анализа остаточных радиоактивно меченных липидов в клетках после обмена планшеты трижды промывали 10 мл DPBS с добавлением 2 мМ ацетата натрия.Клетки соскабливали в 5 мл DPBS с добавлением 2 мМ ацетата натрия и осаждали в стеклянных пробирках центрифугированием в течение 3 минут при 300 × 90 263 g . После удаления супернатанта липиды экстрагировали из клеток с помощью 3 мл 3: 2 (об: v) гексан / изопропанол, инкубировали при комнатной температуре в течение 30 минут с перемешиванием каждые 5 минут, и растворитель удаляли в новую стеклянную пробирку. затем сушат газообразным азотом при осторожном нагревании.

    Разделение и анализ

    3 H-меченных липидов из клеток.

    Липиды, экстрагированные, как описано ранее, растворяли в 100 мкл 1: 1 (об.: Об.) Хлороформ / метанол, и аликвоту 10 мкл загружали на планшеты HP-TLC Silica gel 60 (Merck). Липиды разделяли в соотношении 65: 25: 5 (об: об) хлороформ / метанол / концентрированный гидроксид аммония. После сушки планшета на воздухе липиды окрашивали в резервуаре с йодом. Липидные полосы были помечены карандашом, и пластина была помещена в вытяжной шкаф до исчезновения йодного окрашивания. С пластин соскребали силикагель, соответствующий определенным липидным полосам, идентифицированным по их положению относительно стандартов липидов.В качестве контроля также подсчитывали количество силикагеля между полосами, чтобы подтвердить отсутствие липидов между полосами, окрашенными йодом. После добавления 2,5 мл смеси ScintiVerse BD (Fisher Scientific) радиоактивность подсчитывали с использованием сцинтилляционного счетчика Beckman LS6500 (Beckman Coulter, Inc.).

    Разделение и анализ

    3 H-меченых липидов, обмененных из клеток.

    Супернатант смеси липид-MαCD после липидного обмена собирали и центрифугировали при 72000 об / мин (Beckman Coulter TLA 100.3 ротор) в течение 30 мин в ультрацентрифуге Optima TL (Beckman Coulter) для удаления клеток / клеточного дебриса. Равный объем 3: 2 (об: об) гексан / изопропанол добавляли к супернатанту после ультрацентрифугирования для экстракции липидов. Эту же процедуру повторяли для второго раунда экстракции из водной фазы из первых экстракций. Экстрагированные липиды объединяли, сушили азотом и затем растворяли в 90 мкл 1: 1 (об: об) метанол / хлороформ вместе с 1 мкг / мкл каждого нерадиоактивного PS, SM, PC и PE (добавление немеченых липидов позволили визуализировать положение липидов при окрашивании пластинки для ТСХ йодом).Затем аликвоты по 9 или 30 мкл загружали на силикагелевую пластину HP-TLC. Разделение и анализ липидов, меченных 3 H, проводили, как описано ранее.

    Экстракция липидов и анализ немеченых клеток A549.

    Липиды экстрагировали и отделяли, следуя той же процедуре, что и радиоактивно меченные клетки. После хроматографии пластинки для ТСХ сушили на воздухе и насыщали 3% (масс. / Об.) Ацетатом меди - 8% (об / об) фосфорной кислотой путем распыления, а затем снова сушили на воздухе.Планшеты обугливались при 180 ° C для образования липидных полос.

    Мониторинг кинетики обмена по флуоресценции и радиоактивности.

    Смесь 40 мМ MαCD с 1,5 мМ 1: 9 (моль: моль) NBD-DPPE / bSM получали, как описано ранее. Затем 500 мкл нагруженного липидами MαCD добавляли к 90% конфлюэнтным клеткам A549, культивированным в 6-луночных планшетах (Corning Inc.). Клетки инкубировали разное время при 37 ° C, а затем нагруженный липидами MαCD удаляли. После трех промывок 2 мл DPBS клетки удаляли с планшета соскабливанием в 1 мл DPBS и помещали в 1.Пластиковые центрифужные пробирки на 5 мл. Клетки осаждали 3-минутным центрифугированием при 300 × 90 263 g и ресуспендировали в 100 мкл DPBS. Затем добавляли 900 мкл этанола. Интенсивность флуоресценции NBD измеряли в кюветах для флуоресценции с использованием Fluorolog 3 (Jobin Yvon Horiba). Флуоресценцию измеряли при длине волны возбуждения 465 нм и длине волны испускания 534 нм. Аналогичным образом получали контроль неспецифического липидного прилипания к клеткам, но без MαCD, и использовали его в качестве нулевой точки времени.В аналогичном эксперименте клетки A549 были помечены 3 H и подвергнуты липидному обмену с использованием смеси 1,5-мМ bSM и 40-мМ MαCD, как описано ранее. Клетки собирали после разного времени инкубации, липиды экстрагировали и разделяли на пластине HP-TLC, как описано ранее. Радиоактивность в полосах PS + PI и SM затем измеряли сцинтилляционным счетом, как описано ранее. Аналогичным образом получали контроль неспецифического липидного прилипания к клеткам, но без MαCD, и использовали его в качестве нулевой точки времени.

    Влияние концентрации MαCD на эффективность обмена SM.

    После метки 3 H клетки A549 обрабатывали нагруженным липидами MαCD с 1,5 мМ bSM в сочетании с концентрациями MαCD 0, 2, 10, 40 или 80 мМ при 37 ° C в течение 1 часа в CO 2 Инкубатор . Клетки собирали и анализировали радиоактивность в полосах PS + PI и SM, как ранее.

    Влияние концентрации SM на эффективность обмена SM.

    После мечения 3 H клетки A549 обрабатывали 40 мМ MαCD, нагруженным 0,0.1, 0,2, 0,5, 1, 1,5, 2 или 3 мМ bSM при 37 ° C в течение 1 ч в инкубаторе CO 2 . Клетки собирали и анализировали радиоактивность в полосах PS + PI и SM, как ранее.

    Дитионит для подавления флуоресценции NBD-DPPE.

    NBD-DPPE заменяли на клетки A549, как описано ранее [за исключением стадии липидного обмена при 15 ° C, комнатной температуре (23 ° C) или 37 ° C]. Клетки суспендировали в 1 мл DPBS, и флуоресценцию измеряли до и (как функцию времени) после добавления аликвоты 50 мкл свежеприготовленного 1 М дитионита, приготовленного в 1 М Трис-буфере (pH 10), чтобы получить конечный результат. концентрация дитионита 50 мМ.Для микроскопических экспериментов обмен проводили, как и раньше, в течение 1 ч при 37 ° C: аликвоту 7 мкл из клеток, суспендированных в 1 мл DPBS, до или через 5 мин после обработки дитионитом, загружали на предметные стекла микроскопа и закрывали покровным стеклом. Затем визуализировали флуоресценцию NBD с помощью конфокальной лазерной сканирующей микроскопии с использованием системы конфокального лазерного сканирующего микроскопа Zeiss LSM 5 Pascal (Carl Zeiss AG) для визуализации местоположения флуоресценции в клетке.

    Содержание фосфолипидов по данным ЖХ / МС / МС.

    Фосфолипиды были экстрагированы из предоставленных образцов с использованием метода Блая и Дайера.Экстракты разбавляли внутренними стандартами (Avanti Polar Lipids) в соответствии со структурой классов фосфолипидов. Образцы готовили в силанизированных вкладышах для инъекций объемом 500 мкл и во флаконах для анализа ЖХ / МС / МС. Экстракт каждого образца анализировали на высокопроизводительном жидкостном хроматографе Waters ’Acquity (Waters Corporation) / AB Sciex 5500 MS. Экстракты фосфолипидов, специфичные для каждого класса, вводили в колонку с обращенной фазой Agilent Eclipse XDB-C8 (4,6 × 50 мм, размер частиц 1,8 мкм) для разделения молекулярных частиц внутри каждого класса градиентным элюированием и детектирования с помощью МС с использованием расписания. мониторинг множественных реакций.Таким образом был измерен пик с уникальным временем элюирования из колонки и профилем массы к фрагментам. Пики видов фосфолипидов были объединены и нормализованы к соединениям внутреннего стандарта в соответствующих классах. Это обеспечивало количественную оценку с использованием отношения площади соединения / внутреннего стандарта, умноженного на концентрацию внутреннего стандарта или концентрации, первоначально добавленные для экстракции образца.

    Благодарности

    Мы благодарим Avanti Polar Lipids, Inc. и Джеффа Д.Мура за проведение описанных здесь исследований рассеянного склероза. Эта работа была поддержана грантом Национального научного фонда DMR 1404985 и грантом NIH GM 112638.

    Сноски

    • Вклад авторов: G.L., D.A.B. и E.L. спланированное исследование; G.L., J.K., Z.H. и J.R.S.C. проведенное исследование; G.L., J.K., Z.H., J.R.S.C. и E.L. проанализированные данные; и Г.Л. и Э. написал газету.

    • Заявление о конфликте интересов: подана предварительная заявка на патент на используемую технологию.

    • Эта статья представляет собой прямое представление PNAS. W.D. - приглашенный редакционный совет по приглашению редактора журнала.

    • Эта статья содержит вспомогательную информацию на сайте www.

      Наружная цитоплазматическая мембрана строение и функции таблица: Наружная цитоплазматическая мембрана, ее строение и функции. Строение и функции цитоплазматической мембраны клеток

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *