Ф КГМУ 4/3-04/02

ИП №6 от 14 июня 2007 г.

Карагандинский Государственный Медицинский Университет

Кафедра молекулярной биологии и медицинской генетики

Лекция

Тема: «Структура и функция внутриклеточных органелл»

Дисциплина: Молекулярная биология и медицинская генетика

Специальность: 5В130100 - «Общая медицина»

Курс: 1

Время: 50 мин.

Караганда 2013

Утверждена на заседании кафедры.

Протокол № _1_ от «_02_» __09____2013

Заведующий кафедрой ____________________ Б.Ж. Култанов

Тема: «Структура и функция внутриклеточных органелл»

Цель: изучение особенностей строения внутриклеточных органелл специального и общего назначения, изучение основных функций и роли органоидов общего и специального назначения в процессах жизнедеятельности клетки.

План лекции:

1.Цитоплазма, ее химический состав.

2.Морфология и строение ядра.

3.Строение клеточного центра.

4.Особенностистроения митохондрий.

5.Компонентыкональцевой и вакуолярной системы.

6.Немембранные органоиды клетки.

7.Лизосомы, их морфологическая гетерогенность.

8.Основные функции и роль ядра в клетки.

9.Основные и побочные функции митохондрий.

10.Роль канальцевой и вакуолярной системы в процессах жизнедеятельности клетки.

11.Функции аппарата Гольджи.

12.Роль первичных и вторичных лизосом.

13.Поисхождение и функции пероксисом.

Тезисы лекции

Все клетки человеческого организма обладают сходным основным набором внутриклеточных структур, осуществляющих главные функции клетки. Здесь рассматриваются структура и функции следующих внутриклеточных структур: ядро, митохондрии, пероксисомы, гладкий эндоплазматический ретикулум, шероховатый эндоплазматический ретикулум.

Основные признаки эукариотических клеток Таблица 1.

Признак	Строение и организация
Мембраны	Все компартменты или органеллы окружены одинаковым в основных чертах типом мембраны, белково-липидным бимолекулярным слоем. Органеллы отличаются по специфическим вариациям в липидном и белковом составе, что помогает определить направление основных путей метаболизма в них.
Внутриклеточное движение	Движение веществ из одной органеллы в другую происходит по определенным путям и принципам, но поток веществ – транспорт и миграция белков – осуществляется различными механизмами, а именно, потоком белков или потоком везикул.
Формирование внутриклеточных компартментов	Внутриклеточные компартменты являются динамическими структурами и могут увеличиваться или уменьшаться в размере, но не могут формироваться de novo; этот процесс требует информации в виде рудимента или матрицы от существующей органеллы
Относительное расположение компонентов внутри клетки	Относительное положение не хаотично; каждый компонент занимает положение, оптимальное для выполнения его специализированной функции.

---

Основные внутриклеточные органеллы и их главные функции Таблица 2.

Органелла или фракция	Маркер	Основные функции
Ядро	ДНК	Место расположения хромосом Место ДНК-направляемого синтеза РНК (транскрипция)
Митохондрия	Глутаматдегидрогенеза	Цикл трикарбоновых кислот, окислительное фосфорилирование
Рибосома	Высокое содержание РНК	Место синтеза белка (трансляция мРНК в белок)
ЭПС	Глюкозо-6-фосфатаза	Рибосомы, связанные с мембраной-главное место синтеза белка Синтез различных липидов Окисление многих ксенобиотиков (цитохром Р450)
Лизосома	Кислая фосфатаза

Внутриклеточное движение

Поток белков: везикулярный поток

Основные типы перемещений внутри клетки- это поток белков и поток пузырьков (везикул). Одна из важнейших задач клетки – доставка молекул к различным отделам внутри клетки и во внеклеточное пространство. Существуют строго определенные пути внутриклеточного и межклеточного перемещения материала. Хотя в высокоспециализированных клетках могут встречаться некоторые вариации, внутриклеточные потоки в эукариотических клетках обычно похожи. Например, хотя между органеллами иногда встречаются двунаправленные потоки, белковый и везикулярный потоки преимущественно однонаправлены – мембранные белки перемещаются из эндоплазматического ретикулума к клеточной поверхности.

Доставку веществ из одного отдела клетки к другому выполняют специальные белки. В качестве сигнальных меток выступают специфические полипептидные последовательности этих белков. Важным открытием медицины за последние два десятилетия стало понимание того, что нарушение любого из таких транспортных путей может привести к заболеванию. Дефект сигнального маркера или локуса, узнающего маркер, может значительно нарушить здоровое состояние клетки и организма. Детальное изучение этих путей необходимо для понимания молекулярной основы многих заболеваний человека.

Клеточное ядро.

Ядро эукариотической клетки при микроскопии обычно выглядит как крупная округлая структура вблизи центра клетки. Ядерный материал, определяемый как хроматин, состоит из дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК), гистонов и различных ядерных белков, участвующих в следующих процессах:

1. Формирование поддерживающего комплекса для ДНК.

2. Связывание со специфическими последовательностями ДНК и участие в транскрипции ДНК.

3. Репликация ДНК.

Внутри ядра находится структура, называемая ядрышком. В нем находятся хромосомы, содержащие петли ДНК и большие скопления генов рибосомной рибонуклеиновой кислоты (рРНК). Каждое такое скопление генов называется ядрышковым организатором. В ядрышках происходят следующие процессы:

1. Транскрипция рибосомной ДНК РНК- полимеразой I.

2. Упаковка рРНК в рибонуклеопротеидные комплексы, которые в дальнейшем становятся двумя главными субъединицами рибосомы (40S и 60S субъединицами).

---

Размер ядрышек отражает активность синтеза белка в клетке. Чем активнее клетка, тем больше ядрышко.

Синтез рибосом в ядрышке.

Синтез рибосом – основной процесс, происходящий в ядре. Самые активные эукариотические клетки используют около 10 миллионов рибосом в течение одного клеточного цикла. Как часть структуры рибосомы, вокруг каждой рРНК субъединицы находится ряд высокоспециализированных белков. В состав малой субъединицы – 40S частицы – входят 30 уникальных белко, собранных вокруг молекулы 18S РНК. Большая субъединица 60S частица – имеет 51 белок, связанный со своей главной молекулой 28S РНК. В комплекс большей субъединицы входит также 5,8S РНК.

Ядерная оболочка.

Ядерная оболочка – двойная мембранная структура, которая окружает хроматин и переходит в эндоплазматический ретикулум (ЭР0. Внутренняя мембрана по составу белков отличается от наружной мембраны. Внутренний слой мембраны имеет волокнистую сеть белков, называемых ламинами, которые играют ключевую роль в поддержании структурной целостности мембраны. Наружная мембрана ядра переходит в мембрану ЭР и содержит белки, необходимые для связывания рибосом.

Ядерная пора и ядерный поровый комплекс.

Ядерные поры – гигантские макромолекулярные комплексы, которые обеспечивают активный обмен белков и рибонуклеопротеидов между ядром и цитоплазмой. Ядерный поровый комплекс (ЯПК) формирует цилиндр, приблизительно 1200 Ǻ в диаметре и 500 Ǻ толщиной и имеет восьмиугольную симметрию. ЯПК состоит из 100-200 белков; он имеет массу 124х106 дальтон, что примерно в 30 раз больше массы рибосомы.

Этот комплекс – основные ворота для веществ, которые постоянно перемещаются внутрь ядра и из него. Например, матричная РНК (мРНК), субъединицы рибосом, гистоны, рибосомные белки, факторы транскрипции, ионы и мелкие молекулы быстро обмениваются между ядром и полостью эндоплазматического ретикулума или цитозолем.

Механизм ядерного импорта и экспорта

Перемещение молекул из ядра и в него происходит путем активного транспорта, пассивной диффузии или путем специальной ядерной локализации, которая идет посредством сигнальной последовательности определенных белков. Пассивная диффузия и активный транспорт происходят через ядерный поровый комплекс. Мелкие молекулы и ионы (<9кДа) диффундируют через водный канал ЯПК, около 10нм в диаметре. Более крупные молекулы (>9кДа) перемещаются путем активного транспорта с вовлечением ядерного сигнала, а также по энергозависимому механизму.

Ядерный локализационный сигнал.

Роль импортина.

Белки, транспортируемые в ядро, несут ядерный локализационный сигнал (ЯЛС), который содержит значительно обогащенный промежуток из пяти или шести основных аминокислот. Пример- пролин-пролин-лизин-лизин- лизин- лизин-аланин- лизин-валин (Р-Р-К-К-К-К-А-К-V).

Группы основных аминокислот ЯЛС могут локализоваться в любом месте белка. Более того, ядерный локализационный сигнал не изменяется при транслокационных преобразованиях. Особое внимание привлекает тот факт, что 60 кДа белок импортин связывается с ЯЛС, инициирует и поддерживает импорт белков. В ядерном импорте также участвуют цитоплазматические факторы.

---

Растворение ядра и его восстановление

Интерфазные ядра полностью собраны вместе с комплексами пор. Ядерная пластина (ламина) – сетчая структура специальных промежуточных филаментов - формирует волосковую сетеподобную структуру, которая связана с липопротеиновым комплексом внутренней ядерной мембраны.

При вступлении клетки в начало профазы цитозольные киназы фосфорилируют субъединицы ядерных ламин. После фосфорилирования сетеподобная структура разрушается. Затем липопротеиновый компонент внутренней ядерной мембраны распадается на мелкие везикулы, так же как и наружная ядерная мембрана, которая состыкована с ЭР. Затем содержимое ядра распространяется в цитозоле.

Восстановление ядерной оболочки начинается в поздней анафазе, в тот момент, когда цитоплазматические фосфатазы начинают удаление фосфатных остатков из ядерных ламин. Эти белки начинают реполимеризоваться на поверхности конденсированных хромосом. В то же время везикулы, образовавшиеся из внутренней ядерной мембраны, начинают сливаться и формируют оболочку вокруг хромосом. К концу поздней телофазы происходит окончательное слияние внутренней ядерной мембраны. Эти слитые мембраны и дефосфорилированные ламины формируют сетевидную структуру на внутренней поверхности ядерной мембраны.

Митохондрии

Общая структура и функции

Митохондрии – это окруженные двойной мембраной органеллы, которые выполняют функцию метаболического центра клетки. Митохондрии являются местом синтеза аденозинтрифосфата (АТФ). Этот процесс требует участия многих ферментов, большинство из которых поступает из цитозоля.

Процесс импорта ферментов очень сложен и включает несколько этапов. Предполагается, что митохондрии – результат эволюции организмов, которые внедрились в примитивную прокариотическую клетку и сформировали симбиотические отношения с хозяином.

Признаки	Значение
Происхождение	Считается, что митохондрии произошли врезультате эволюции от орагнизмов, которые внедрились в примитивную прокариотическую клетку и стали симбиотами с ней.
Форма	Эти орагнеллы могут принимать различные морфологические формы. Некоторые из них имеют сферическую форму, другие лентовидную.
Митохондриальная ДНК	Митохондриальная ДНК реплицируется в интерфазе, и этот процесс не синхронизирован с репликацией ДНК в ядре. Митохондриальная ДНК отличается от ядерной ДНК и кодирует особые митохондриальные гены.
Синтез белка	Количество транслируемых с митохондриальной мРНК белков ограничено; они формируют субъединицы крупных ферментных комплексов. Митохондрии имеют функционирующие рибосомы, переводящие информацию митохондриальной ДНК в белки, используемые в органелле.
Клеточное деление	Во время клеточного цикла митохондрии один раз делятся надвое, образуя при этом перетяжку. Перетяжка деления развивается, начиная с внутренней митохондриальной мембраны.

---

Митохондриальная ДНК

В отличие от других орагнелл клетки, митохондрии обладают собственной ДНК, которая отличается от ядерной ДНК и кодирует особые митохондриальные гены. Свойства митохондриальной ДНК:

1. небольшая и содержит около 16,5 кб, то есть приблизительно в 105 раз меньше, чем ДНК, локализованная в ядре;

2. кольцевая и кодирует 2 рибосомные РНК, 22 транспортных РНК (тРНК) и 13 белков.

Генетический код митохондрий, определяющий отдельные аминокислоты, немного отличается от кода ядерной ДНК. Митохондриальный код, например, обладает измененными стоп-кодонами.

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

Наружная и внутренняя митохондриальные мембраны

Митохондрия, окруженная двойной мембраной, имеет две полости и четыре мембранные поверхности. Наружная мембран содержит значительное количество белка, порина. Этот белок формирует поры с диаметром, позволяющим молекулам размером до 5000 дальтон свободно проходить в первую полость. Таким образом, ионы, аминокислоты, сахара и другие цитозольные компоненты беспрепятственно проходят в первое, межмембранное пространство. Группа ферментов, локализованная в этом пространстве, фосфорилирует нуклеотиды и сахара нуклеотидов.

Внутренняя мембрана митохондрий формирует гораздо более плотный барьер, она значительно больше наружной мембраны и образует множество смежных складок – крист. Эти складки значительно увеличивают площадь поверхности митохондрий. Многие ферментативные реакции происходят более эффективно, если ферменты связаны с миоохондриальной поверхностью, что и обеспечивают кристы.

Митохондриальный матрикс

Митохондриальный матрикс играет важную роль. Матриксная поверхность внутренней мембраны включает в себя белковые комплексы, участвующие в синтезе АТФ. Огромное количество метаболических ферментов располагается в митохондриальном матриксе, включая ферменты, участвующие в окислении липидов, окислении углеводов, в цикле трикарбоновых кислот, или цикле Кребса. Кроме них, в матриске локализуются митохондриальный геном, а также рибосомы, тРНК, ферменты, необходимые для транскрипции митохондриальной ДНК и экспрессии соответствующих генов. Число этих генов относительно мало, по сравнению с генами, расположенными в ядре.

---