ЛЕКЦИЯ: Вакуолярная система

Вся гиалоплазма в клетках заполнена сложной сетью мембран (каналов, цистерн, которые сообщаются друг с другом постоянными или временными канальцами).Сеть имеет трехмерную структуру и называется вакуолярной системой. Все ее компоненты имеют одну мембрану. К этой системе принадлежат ЭПР, комплекс Гольджи, лизосомы, пероксисомы, секреторные вакуоли. Вся вакуолярная система выполняет следующие функции:

1) Механическая. Разделяет гиалоплазму на компартменты;

2) Регуляция обмена веществ. Мембраны вакуолярной системы регулируют транспорт ионов, участвуют в процессах диффузий и активного транспорта между компартментами;

3) Вакуолярные системы осуществляют функцию синтеза, модификации, сортировки и экспорта из клетки биополимеров. Отличительной чертой является - сегрегация, т.е. обособление синтезированных полимеров и продуктов от цитозоля.

 

ЭПР расположен близко к ядру. Эта область называется эндоплазма. Строение и количество элементов ЭПР зависит от функциональной активности клеток, стадий клеточного цикла и ее дифференцировки. Толщина мембран ЭПР – 5-6 нм, ширина просвета – 70 – 500 нм. Впервые структура была открыта Портером в 1945г. Примерно на 2/3состоит из белка, 1/3 из липидов. Разделяется на два типа: гладкий (агранулярный) и гранулярный (шероховатый).

 

Гранулярный ЭПР представлен замкнутыми мембранами, которые образуют на сечениях вытянутые мешки, цистерны. Ширина полостей цистерн варьирует в зависимости от функции развития. Гранулярный ЭПР может быть представлен в клетке в виде разрозненных редких мембран или локальных скоплений таких мембран, которые называются эргастоплазма. Такой тип ЭПР встречаются в клетках, активно синтезирующих секреторные белки.

Особенность гранулярного ЭПР – на поверхности мембран расположены рибосомы. Рибосомы образуют скопления, в общем виде называемые полисомы. Все рибосомы ЭПР – работают и синтезируют белок. Прикрепляются своей большой субъединицей. Количество рибосом на ЭПР четко связано с его синтетической активностью. Все рибосомы ЭПР участвуют в синтезе, так называемых, экспортных белков. Поэтому общая функция гранулярного ЭПР может быть определена, как синтез белков на рибосомах мембран и сегрегация их от остальных.

Необходимо отметить, что в клетке синтез белков протекает на свободных полисомах. Полисома – группа рибосом, соединенная одной иРНК.

 

Рассмотрим путь синтеза растворимых белков на рибосомах ЭПР. В начале, еще в гиалоплазме происходит связывание информационной РНК, кодирующей секреторный белок с рибосомой и начинается синтез белковой цепи. Первоначально синтезируется сигнальная последовательность белка (16-30 гидрофобных АМК). Это сигнальная последовательность в цитозоле узнается и связывается при взаимодействии с активным центром рибосомы (SRP-частицей), которая состоит из одной молекулы РНК и шести различных полипептидных цепей. На поверхности мембраны ЭПР, которая обращена в сторону гиалоплазмы, расположены интегральные рецепторные белки, которые носят названия рибофории, они взаимодействуют с SRP-частицей. При этом в результате этого контакта SRP-частица взаимодействуют и со своим рецептором и заякоривается в мембране ЭПР.

При работе и синтезе белка заякоренная рибосома взаимодействует с другим белковым комплексом (транслатором) на мембране. При взаимодействии с этим участком происходит отделение SRP-частицы и синтезированный в рибосоме первичный пептид входит в канал, который образует транслатор. При этом синтез полипептида продолжается, удлиняется и его сигнальная последовательность вместе с растущей цепочкой оказывается внутри цистерны ЭПР. Синтезируемый белок проходит сквозь мембрану ЭПР во время своего синтеза, то есть котрансляционно. Внутри полости ЭПР с помощью специального фермента – пептидазы, сигнальная последовательность отщепляется. После окончания синтеза вся белковая молекула оказывается в полости ЭПР, рибосома отделяется от транслатора, диссоциирует на частицы. Затем закрывается канал транслатора.

Кроме синтеза различных белков, в шероховатом ЭПР происходит синтез мембранных белков, которые встраиваются в мембрану ЭПР, становясь интегральными. Начальные стадии синтеза похожи на предыдущие. Здесь так же есть SPR-частицы, которые узнают сигнальную последовательность. Так же здесь происходит поступление участка белковой цепи через транслатор, но в цепи мембранного белка существует несколько АМК стоп-последовательностей, которые запрещают белковой цепи пересекать мембрану. Белок остается связанным с мембраной, а синтез не останавливается. Это приводит к тому, что в районе стоп-последовательности в белке появляются гидрофобные участки и белки встраиваются в мембрану.

Белок может подвергаться модификациям.

1) Первичное гликозилирование. Ковалентное связывание белка с олигосахаридом, который имеет определенную структуру и содержит две молекулы N-ацетилглюкозамина, а кроме того, девять молекул сахара манозы, три молекулы сахара глюкозы и есть в составе специфический липид. Соединение обеспечивает дальнейший транспорт и превращение белка в гликопротеин. Происходит котрансляционно.

2) Кроме того, в полости ЭПР образуются дисульфидные связи. Происходит упаковка белка, сборка четвертичной структуры. Все эти процессы проходят при участии шаперонов - «белков теплового шока». Синтез этих белков возрастает при повышении температуры. Шапероны защищают белки от денатурации. Взаимодействие с этими белками защищает несвернутую цепь от контактов с другими белками и создает условие для нормально сворачивания.

3) На рибосомах ЭПР происходит синтез мембранных белков клетки. Отличие от других белков – не освобождаются от мембран, а встраиваются в них, становясь трансмембранными или полуинтегральными белками.

4) На мембранах негранулярного ЭПР так же синтезируются липиды. Липиды встраиваются в мембрану ЭПР со стороны цитозоля, но переносятся на другую сторону с помощью переносчиков. За счет этого мембрана растет.

Процесс синтеза липидов идет одновременно с синтезом интегральных белков и поэтому биомембрана строится и растет за счет двух процессов 1) синтез и встраивание липидов; 2) синтез и интеграция мембранных белков.

Белки мембран ЭПР, АГ, плазмалеммы имеют одно происхождение: синтезируются и встраиваются в шероховатом ЭПР.

Удаленные участки гранулярного ЭПР, которые располагаются в зоне, близкому к комплексу Гольджи, теряют рибосомы и образуют выступы, от которых отпочковываются вакуоли с продуктами синтеза. Это промежуточная зона ЭПР и комплексом Гольджи.

Вакуоли, отщепившиеся от этой зоны, покрыты белком - клатрином. После его потери пузырьки сливаются друг с другом, транспортируются с помощью микротрубочек в цис-зону комплекса Гольджи, где сливаются с его мембранами под контролем ферментов. Таким образом, осуществляется транспорт синтезируемых белков в зону комплекса Гольджи.

1) Гранулярный ЭПР осуществляет котрансляционный синтез белков, их первичную модификацию, соединение с олигосахаридом, т.е. гликозилирование. Образование гликопротеинов

2) Синтез мембранных липидов и их встраивание в мембрану (сборка).

3) Транспорт вакуолей, содержащих синтезированные продукты и их переход в цис-зону комплекса Гольджи.

 

Гладкий ЭПР. Представляет собой часть мембраны вакуолярной системы. Так же мелкие вакуоли, каналы, трубочки, но гладкий ЭПР является вторичным по отношению к шероховатому. Диаметр вакуолей и канальцев 50-100 нм. Выраженность гладкого ЭПР не одинакова. Большая часть образует скопления или зоны. В клетках эпителия кишечника гладкий ЭПР находится в верхней части клетки вблизи всасывающей поверхности.

Основной функцией является синтез, метаболизм липидов и углеводов. Кроме того, мембраны гладкого ЭПР участвуют в процессах детоксикации (обезвреживание ядов).

Происходят процессы деградации различных токсичных органических веществ за счет локализации окислительных ферментов, из которых наиболее известен цитохром Р₄₅₀. Он участвует в присоединении гидроксильной группы к различным опасным углеводам, которые попадают в мембранный бислой. За счет других окислительных ферментов к гидроксильным группам добавляются отрицательно заряженные молекулы (сульфаты, глюкуронавая кислота), что делает липофильные вещества растворимыми в воде. А это обеспечивает их обезвреживание и выведение из организма.

 

Участки формируют саркоплазматический ретикулум. Это место хранения ионов кальция. Откладываются в виде фосфатов.