Трехмерное строение клеткиbiogen.chuvsu.ru/uch_2_biol/carantin/Lecture...

Трехмерное строение клетки

Основные положения клеточной теории на современном этапе сформулированы следующим образом:

Клетка – это структурная и функциональная единица, а так же единица развития всех живых организмов.

Клеткам присуще мембранное строение. Ядро – главная составная часть клетки. Новые клетки образуются путем деления ранее

существующих клеток. Клетки всех организмов сходны по своему химическому

составу, строению и функциям и имеют единое происхождение.

Система клеточных мембран и клеточный цитоскелетобеспечивают уникальное трехмерное строение и специализацию клеток.

Биологические мембраны

• Это тонкие плёнки (перепонки), образованные фосфолипидным бислоем.

• Любая биологическая мембрана представляет собой непрерывную поверхность: у неё нет краев, она замыкается сама на себя или переходит в другую мембрану.

• Основу биологических мембран составляют фосфолипиды.

Четыре группы открытий, изменивших понимание клеточных биологических процессов:1. Организация генома. У эвкариот генетические локусы

устроены по модульному принципу, представляя собой конструкции из регуляторных и кодирующих модулей, общих для всего генома. Это обеспечивает быструю сборку новых конструкций и регуляцию генных ансамблей.

Локусы организованы в иерархические сети, во главе с главным геном-переключателем, соподчиненные гены интегрированы в разные сети: они функционируют в разные периоды развития и влияют на множество признаков фенотипа.

2. Репаративные возможности клетки – система репарации на уровне репликации, транскрипции и трансляции, противодействующая случайным физико-химическим воздействиям.

Четыре группы открытий, изменивших понимание клеточных биологических процессов:

3. Мобильные генетические элементы и природная генетическая инженерия. Работа иммунной системы построена на непрерывном конструировании новых вариантов молекул иммуноглобулинов на основе действия природных биотехнологических систем (ферменты: нуклеазы, лигазы, обратные транскриптазы, полимеразы и т.д.). Эти же системы используют мобильные элементы для создания новых наследуемых структур. Генетические изменения могут быть массовыми и упорядоченными (направленными). Постоянная реорганизация генома —один из основных биологических процессов.

4. Клеточный информационный процессинг. Клетка непрерывно собирает и анализирует информацию о своем внутреннем состоянии и внешней среде, принимая решение о росте, движении и дифференциации. Процесс митоза универсален у высших организмов и включает три последовательных этапа: подготовка к делению, репликация хромосом и завершение деления клетки. Анализ генного контроля этих фаз привел к открытию особых точек, в которых клетка проверяет, произошла ли репарация нарушений в структуре ДНК на предыдущем этапе или нет. Если ошибки не будут исправлены, последующий этап не начнется. Когда ликвидировать повреждения нельзя, запускается генетически запрограммированная система клеточной смерти, или апоптоза.

6

Клеточная мембрана

ФункцииКлеточные органеллы

Барьерная, поддерживающая,

защитная

Диффузия и осмос

Облегченная диффузия

Активный транспорт

ЭндоцитозЭкзоцитоз

Выведение метаболитов и поглощение питательных веществГормональная и нейротрансмиттернаярецепция

Селективная проницаемость

Фософолипидныйбислой

Белки и гликопротеины

малые молекулы

Функции клеточных мембран

Транспортная(выведение/поглощение)

Структуры

Отделение организма от

средыБольшие

молекулы

1

2

3

0

гидрофильная голова

область, укрепленная холестерином

относительно подвижная область

гидрофобный хвост

холин

Химический состав клеточных мембран, %

Липиды 25-60

Белки 40-75

Углеводы 2-10

В клеточной мембране присутствуют липиды трех видов:

фосфолипидыгликолипидыхолестерол.

Все три вида липидов – ампифатические, т.е. имеют гидрофильную голову и гидрофобные хвосты. Длина хвоста может составлять от 14 до 24 атомов углерода.

Ампифатические молекулы в водном окружении агрегируют двумя способами:

в виде сферических мицелл, с хвостами, обращенными внутрьв виде бислойных пленок, с хвостами, расположенными между слоями

гидрофильных голов.При замыкании липидного бислоя на себя образуется закрытый отсек –

компартмент, тем самым достигается отсутствие контакта гидрофобных концов с водой.

6-12нм

Вращение

Латеральная диффузия

Вертикальная вибрация

Протрузия

Компрессия

Растягивание

Изгибающие флуктуации

Поперечные флуктуации

Движение липидов в бислое

Запрет на переходы из слоя в слойХимический состав слоев асимметричен!

При нагревании до температуры тела толщина мембраны флуктуирует в пределах 8% каждые 100 нс, что в 30 раз медленнее в сравнении с небиологическими образцами.

(иллюстрация Nagao / NIST)

Woodka A.C., Butler P.D., Porcar L., Farago B., Nagao M. Lipid bilayers and membrane dynamics: Insight into thickness fluctuations// Physical Review Letters. – 2012. – Vol. 9, N 5. DOI: 10.1103/PhysRevLett.109.058102,

Свойства бислояотдельные молекулы могут свободно перемещаться в

пределах своего монослоя, но практически не могут перемещаться во второй монослой (для отдельно взятой молекулы такой переход возможен не чаще одного раза в две недели);бислой асимметричен. Это свойство обеспечивается с

одной стороны невозможностью вертикальной диффузии молекул липидов, с другой – значительным химическим различием липидного состава каждого монослоя: в эритроцитах человека большинство липидных

молекул, оканчивающихся холином, располагаются во внешней половине бислоя;

гликолипиды, олигосахаросодержащие липиды, всегда расположены в наружной половине бислоя, причем так, что сахаристая часть обращена наружу;

отрицательно заряженный фосфатидилсерин всегда расположен во внутренней половине бислоя.

Плазматическая мембрана

Система клеточных мембран

Функции плазматической мембраны отграничивает каждую клетку от окружающей среды;определяет величину клетки и обеспечивает

сохранение существенных различий между содержимом клетки и окружающей средой, обеспечивая постоянство клеточного состава и структуры;служит высокоселективным фильтром,

поддерживающим концентрационный градиент ионов и обеспечивающим направленность потока питательных веществ внутрь клетки и продуктов жизнедеятельности из клетки;обеспечивает информационное взаимодействие клетки

с внешней средой;объединяет отдельные клетки в ткани;внутренние мембраны клеток, обеспечивают

возможность одновременного осуществления несовместимых процессов, например, синтез и разрушение одного и того же вещества идут в разных отделах клетки (компартментах), синтез кислот и оснований в клетке также разделены пространственно.

Механизмы передачи информации плазмалеммой

Механическая передача:Волны механофизической деформацииВзаимодействие гликокаликсов соседних клетокЭлектрическое (десмосомы и эфапсы)Электрохимическое (синапсы) – гидрофильные

сигнальные молекулыПростая трансмембранная диффузия гидрофобных

сигнальных молекулОбменный (щелевые контакты)

Электрический потенциал мембраны

где: R - универсальная газовая постоянная,T - термодинамическая температура,z - электрический заряд иона,F - постоянная Фарадея, [K+]i и [K+]o - внутри- и внеклеточная концентрации ионов калия

соответственно.Но если учесть проницаемость мембраны для ионов: PK, PNa, PCl –проницаемость для ионов калия, натрия и хлора соотв., то получаем

𝜑𝜑𝑚𝑚 = −𝑅𝑅 ⋅ 𝑇𝑇𝑧𝑧 ⋅ 𝐹𝐹

⋅ ln𝐾𝐾+

𝑖𝑖

𝐾𝐾+0

𝜑𝜑𝑚𝑚 = −𝑅𝑅 ⋅ 𝑇𝑇𝑧𝑧 ⋅ 𝐹𝐹

⋅ ln𝑃𝑃𝑁𝑁𝑁𝑁+ ⋅ 𝑁𝑁𝑁𝑁+ 𝑖𝑖 +𝑃𝑃𝐾𝐾+ ⋅ 𝐾𝐾+

𝑖𝑖 + 𝑃𝑃𝐶𝐶𝐶𝐶− ⋅ 𝐶𝐶𝐶𝐶− 𝑖𝑖

𝑃𝑃𝑁𝑁𝑁𝑁+ ⋅ 𝑁𝑁𝑁𝑁+ 𝑜𝑜 +𝑃𝑃𝐾𝐾+ ⋅ 𝐾𝐾+𝑜𝑜 + 𝑃𝑃𝐶𝐶𝐶𝐶− ⋅ 𝐶𝐶𝐶𝐶− 𝑜𝑜

уравнение Гольдмана-Ходжкина Рк : РNa : PCl = 1 : 0,04 : 0,45.[K+]вн · [CI-]вн = [K+]нар · [CI-]нар

Ядерная мембрана

Эндоплазматическая сеть

Лизосомы и пероксисомы

Система клеточных мембран

V. A. Kozlov, full Bilogical Science doctor, Ph.D. Medical Science, professor 21

Ядро

V. A. Kozlov, full Bilogical Science doctor, Ph.D. Medical Science, professor 22

Мембрана ядра двуслойна

Функции клеточного ядра• Хранение наследственного материала, гены в виде

длинных и тонких ДНК нитей называются хроматином.

• Хранение белков и мяРНК в ядрышке.• Ядро-это сайт для транскрипции мРНК.• Компартмент сплайсинга мРНК.• Обмен наследственной информации между ядром и

остальной частью клетки.• Редупликация наследственного материала.• Информационный обмен (мобильные элементы

генома).• Селективный транспорт регуляторных факторов и

молекул энергии через ядерные поры.• Продукция рибосомальной рРНК.

24

Ядро

1 - 4 вне ядра

Продукция рибосомальной РНК (рРНК)

25

Эндоплазматическая сеть (ЭПР)

26

3D реконструкция участка эндоплазматической сети клетки

Ядерная мембрана

Хроматин

Участок митохондрии

Эндоплазматическая сеть

Функции ЭПРТранспорт белков и других углеводов в др. органеллы: лизосомы, аппарат Гольджи, пероксисомы, митохондрии, плазматическая мембрана. Участвует в формировании цитоскелета. Обеспечивает увеличение площади поверхности для клеточных реакций. Помогает в формировании ядерной оболочки при делении клеток. Синтез белков, липидов, гликогена и стероидов: холестерин, прогестерон, тестостерон, эстрогены и др.

Молекулярный кроудинг(клеточный уровень)

Кроудинг – давка в толпе, собираться толпой, битком набитый.Эффект исключенного объема наблюдается в среде, содержащей высокие концентрации макромолекул (50-400 мг/мл) [1-3], но концентрация макромолекул одного вида сравнительно невелика. В совокупности макромолекулы, присутствующие в клетке, занимают значительную часть объема среды (до 40%), что вызывает уменьшение объема компартмента и числа степеней свободы для перемещения и ориентации макро- и малых молекул в пространстве. Эффект скученности сопровождается взаимной непроницаемостью всех молекул растворенных веществ. Это неспецифическое стерическое отталкивание всегда присутствует, независимо от других взаимодействий, таких как притяжение или отталкивание между молекулами в растворе. Кроудинг подобен гравитации. Нет существ, в клетках которых он не наблюдался бы.

1. Fulton, A.B. (1982) Cell, 30, 345–347. 2. Zimmerman, S.B., and Trach, S.O. (1991) J. Mol. Biol., 222, 599–620. 3. Ellis, R.J., and Minton, A.P. (2003) Nature, 425, 27–28.

Аппрата Гольджи

V. A. Kozlov, full Bilogical Science doctor, Ph.D. Medical Science, professor 30

Функции аппарат ГольджиКлетки синтезируют огромное количество различных макромолекул, аппарат Гольджи участвует в: изменении, сортировке и упаковке макромолекул,

синтезируемых клетками для использования в секреции или для использования внутри клетки. посттрансляционной модификации белковтранспорте липидов в клетке.формировании лизосом. импорте веществ и нуклеотидов из цитозоля клеток. определении конечного пункта назначения белков. Это место:производства протеогликанов и углеводов. сульфатации некоторых молекул. фосфорилирования некоторых молекул.

Лизосомы

32

Встречаются только в животных клетках

ФункцииНакопление ферментов для внутриклеточного пищеваренияУтилизация клеточных отходовУчастие в реакциях апоптоза и некроза

Нарушение функции лизосом является причиной 50-ти заболеваний

Пероксисомы

33

Обнаружены и у животных и у растительных клетокСодержат более 50-ти энзимовПродуцируют H2O2 (опасность!)Поглощение и распад жирных кислот и нуклеиновых кислотПреобразуют свободные радикалы в H2O2Преобразуют H2O2 в безвредную H2O и O2, используя каталазуСодержат пищеварительные ферменты

Цитоскелет

34

35

Функции

Определяет, придает и поддерживает форму клетки. Обеспечивает механическую устойчивость к деформации. Взаимодействует с матриксом и обеспечивает общую

стабильность. Направляющий элемент, используемый клеткой для

направленного транспорта молекул по ∆ϕ-градиенту. Путь транспорта внутриклеточных сигнальных молекул. Разделение хромосом во время деления клетки, а позже

разделение дочерних клеток во время цитокинеза. Обеспечивает основу организации клеточных компонентов. Образует специализированные структуры: жгутики, реснички,

подосомы и т. д. Позволяет клеткам поддерживать окружение. Обеспечивает синтез структурных элементов клеточной

стенки.

Цитоскелет

Рибосомы

36

Функция

Синтез белка

Митохондрии

37Две бислойных мембраны

3D реконструкция митохондрии

Márquez Neila P., Baumela L. González-Soriano J., Rodríguez J.R., DeFelipe J., Merchán-Pérez Á. A Fast Method for the Segmentation of Synaptic Junctions and Mitochondria in Serial Electron Microscopic Images of the Brain // Neuroinformatics. 2016. V. 14(2). 235-250. doi: 10.1007/s12021-015-9288-z.

Egner, A., S. Jakobs and S. W. Hell (2002). "Fast 100-nm resolution 3D-microscope reveals structural plasticity of mitochondria in live yeast." Proc. Natl. Acad. Sci. USA 99: 3370-3375.

Структура митохондрийНаружная мембрана: гладкая и состоит из равных количеств

фосфолипидов и белков.имеет большое количество специальных

белков, известных как порины. порины являются интегральными белками

мембраны, обеспечивают трансмембранный перенос молекул, массой до 5000 дальтон. свободно проницаема для питательных

веществ, молекул, ионов, энергии молекул, как молекулы атф и адф.

Структура митохондрийВнутренняя мембрана: более сложна по структуре – складывается много раз в

складки, называемые кристы, что увеличивает внутреннюю поверхность. является местом дисклокации белков, участвующих в

производстве молекул АТФ (цепь передачи электронов). внутренняя поверхность мембраны является местом

дисклокации белков цикла Кребса (кислородный гликолиз).обеспечивает сопряжение производства АТФ и

окисления пировиноградной кислоты, а также сопряжения окисления и восстановления яблочной и аспарагиновой кислот.в отличие от наружной мембраны, строго односторонне

проницаема, она пропускает только кислород, АТФ и воду.

Структура митохондрийМежмембранное пространствоЭто пространство между наружной и внутренней мембраны митохондрий, она имеет тот же состав, что в цитоплазме клетки. Существует разница в содержании белка в межмембранном пространстве. Матрикс – внутреннее пространство внутренней мембраны, содержит сложную смесь белков и ферментов, митохондриальные рибосомы, тРНК и митохондриальную кольцевую ДНК.Кодон Митохондрия Универсальный кодUGA Триптофан Стоп кодонAUA Метионин ИзолейцинAGAAGG

Стоп кодон Аргинин

Функции митохондрийПроизводство энергии – окислительное

фосфорилирование. Поддержание нормальной концентрации ионов кальция внутри компартментов. Синтез стероидов (холестерол) и стероидных гормонов (прогестерон, тестостерон и эстрогены).Синтез пентоз. Детоксикация аммиака. Апоптоз или запрограммированной гибели клеток. Дисфункция митохондрий вследствие аномалий их генома является причиной многих наследственных заболеваний.Геном митохондрий подвержен значительным модификациям в процессе онтогенеза.

Achilleas Frangakis, European Molecular Biology Laboratory, Heidelberg, Germany. Reproduced with permission from Nature Publishing Group; Al-Amoudi et al, (2007) Nature 450: 832–837.

область межклеточных контактов (песочно-коричневый), ядро и ядерная оболочка (синий) поры (красный), микротрубочки (зеленые), митохондрии (фиолетовый) эндоплазматический ретикулум (стальной синий)

© https://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/2.0/

3D реконструкция нейронов мозга мыши

3D реконструкция органелл нейрона мыши, послойная сканирующая электронная микроскопия (ATUM-SEM). Белый: ядро, желтый: митохондрия, синий: аппарат Гольджи, черный: лизосомы. Эндоплазматический ретикулум не показан.

http://lichtmanlab.fas.harvard.edu/Image credit: Daniel Berger, Lichtman lab

Что будет с водой, если бутылку уменьшить всего в десять раз?Диаметр горлышка уменьшился в 10 раз, во столько же и поверхностное натяжение, а масса водыпримерно в 103 раз. Такая масса уже не может преодолеть поверхностное натяжение на границе раздела жидкость — воздух.

В среднем в клетке содержится ≈ 7,7×109 молекул воды. Поверхностное натяжение такого объема воды составляет 2,8×104 н/м. По этой причине 7,7×109 штук молекул воды не обладают свойством текучести и по своим физическим свойствам будут похожи на гель, из чего следует, что, учитывая размеры клетки, сила тяжести в клетках не играет заметной роли. То есть, содержимое клетки находится в условиях «невесомости», обусловленным электростатическими силами, электромагнитным полем, создаваемом самоиндукцией движущихся друг относительно друга ионов, диполей и заряженных молекул, поверхностным натяжением и вязким трением.

Наноразмерные клеточные эффекты1. Все клеточные структуры имеют наноразмеры,

поэтому в клетке должны наблюдаться наноэффекты.

2. Все наши представления о химии водных растворов абсолютно неприменимы к клетке, в силу ее размеров, и требуют пересмотра.

3. На расстоянии примерно 120-150 нм от твердых поверхностей – мембраны – вода упорядочена, она также образует 2-3 упорядоченных слоя около биомолекул. По этой причине вода в клетке, по видимому, не текуча.

4. Молекулы в клетке нужно считать на штуки, такое понятие как концентрация каких-либо молекул к клетке не применимо.

Объект Вещество Размер, нм

Аминокислота Глицин (наименьшая из аминокислот) 0,42Триптофан (наибольшая из аминокислот) 0,67

НуклеотидЦитозин (наименьший нуклеотид) 0,81Гуанин фосфат (наибольший нуклеотид) 0,86Аденозин трифосфат (АТФ) 0,95

Сахара Глюкоза 0,9Белки Эластин (строительный материал клеток) 5,0

Гемоглобин (переносчик кислорода) 7,0Альбумин (яичный белок) 9,0Липопротеин (переносчик холестерина) 20,0Рибосома (синтезатор белка) 30,0Фибриноген 50,0

Вирусы Вирус человеческого гриппа H3N2 100,0Бактерии Escsherichia coli 8000

В силу наличия кроудинг эффекта и сильного поверхностного натяжения, реакции в клетке проходят почти как в твердом теле.

Классическая водная биохимия очень далека от реальных клеточных процессов.

Как размеры клетки соотносятся с биомолекулами? В клетке 1013 штук молекул, тем не менее:1. В клетке в среднем менее 4 молекул гормона роста или

хемоаттрактанта. Даже в обширной области вокруг клетки, например 10-3 см (в 26 раз больше клеточного объема), при обычной концентрации гормона (1 пкМ) окажется всего около 8 молекул.

2. Число рецепторов также измеряется штуками. Например, число рецепторов инсулина на разных клетках колеблется от 40 (эритроциты) до 300.000 (гепатоциты и липоциты) штук – не очень много.

3. В объеме кишечной палочки, например, всего 120 свободных протонов. Тогда, что же такое внутриклеточное рН среды?