Введення
Будова і склад живої клітини
Введення
Всі живі організми складаються з клітин і поділяються на одноклітинні і багатоклітинні. Популяція одноклітинних організмів включає клітини одного типу або невеликої кількості типів, тоді як у багатоклітинних організмів клітини спеціалізовані. За типом будови клітини поділяються на прокаріотческіе і еукаріотичні.
1. Клітинні стінки і клітинні мембрани
Як правило, клітини оточені двома оболонками: клітинною стінкою і цитоплазматичною мембраною, для еукаріотичних клітин застосовують назву плазмолемма.
Клітинна стінка забезпечує механічну міцність клітини, надаючи їй жорстку (ригідну) структуру, завдяки чому клітина витримує високе внутрішнє осмотичний тиск (5-20 МПа). Крім того, клітинна стінка може обумовлювати деяку ступінь вибіркової проникності для низькомолекулярних речовин, а також здатність взаємодіяти з іншими клітинами, вірусами та фізичними поверхнями. Будова клітинної стінки у різних організмів має свої особливості.
Клітки більшості тканин багатоклітинних тварин не містять вираженої клітинної стінки. Рослинні клітини, навпаки, мають дуже складну клітинну стінку, побудовану з целюлозних мікрофібрил, занурених у матрикс (з пектину і геміцеллюлоз).
Клітинні стінки дріжджів і міцеліальних грибів складаються з гомо-і Гетерополісахариди (глюканів, хітину) та білкового комплексу, що виконує антигенну роль. Товщина цих шарів досягає 1 мкм.
Особливості клітинних стінок бактерій пов'язані зі здатністю бактерій забарвлюватися за Грамом. Клітинна стінка громположітельних бактерій побудована в основному з Гетерополісахариди муреіна (пептидоглікану), що містить амінокислотні «містки». До складу клітинної стінки входять також тейхоєвих кислоти (рібіт-або гліцерінтейхоевие), ковалентно пов'язані з мурамовой кислотою пептидоглікану. У грамнегативних бактерій шар муреіна невеликий, але в клітинній стінці присутня зовнішня мембрана, побудована з фосфоліпідів, білків і ліпопо-полісахаридів, що забезпечує деякий ступінь вибіркової проникності і містить рецептори фагів і антигени. Товщина клітинної стінки складає від 15 до 80 нм. Існують бактерії, повністю позбавлені клітинної стінки (мікоплазми). У представників архей (архей) в клітинній стінці відсутній муреин (іноді міститься відрізняється за складом псевдомуреін), а осмопротекторную роль виконує шар глікопротеїнів (рис. 3).
Цитоплазматична мембрана складається з білків і ліпідів у співвідношенні від 1: 4 (у мієліну, мембрані нервових волокон) до 4:1 (у мембранах бактерій). 2+ ).
У багатьох мембранах присутні невеликі кількості вуглеводів (до 5%) і сліди РНК, а також неорганічні катіони (в основному Са 2 + і Mg 2 +). Істотну частину мембран становить вода - вона бере участь у формуванні гідрофобних (ентропійних) зв'язків між компонентами мембрани. Ще в 1930 р. Д. Даніелян запропонував модель мембрани у вигляді подвійного ліпідного шару або бішару. Розвитком цих уявлень є рідинно-мозаїчна модель, запропонована С.Д. Сінгером і Г. Ніколсоном в 1972 р., згідно з якою мембранні білки поділяються на периферичні (слабко пов'язані з мембраною) і інтегральні (локалізовані в ліпідному бішарі). Останні вільно плавають в «ліпідному море», переміщаючись в латеральному напрямку (у площині мембрани), але нездатні «пірнути» на протилежну її бік. Таким чином, мембрани виявляються асиметричними, принаймні, щодо білкового складу. Асиметрія спостерігається і в розташуванні ліпідів у мембрані, але менш виражена. Деякі з інтегральних білків мають трансмембранну орієнтацію і виконують функції переносників субстратів або сигналів. Схема подібної мембрани представлена на рис. 4.2. Склад мембранних ліпідів
и С 2 этерифицированы жирными кислотами, а остаток фосфорной кислоты либо остается свободным, как в диацилглицерин-3-фосфате (или фосфатидной кислоте), либо этерифицирован спиртовыми гидроксилами серина, этаноламина, холина, инозита, глицерина или глицерина и лизина.
Основна частина мембранних ліпідів представлена фосфоліпідами, в основі яких лежить гліцерин-3-фосфат. Такі фосфоліпіди називають фосфоацілгпіцерінамі. У їх молекулі гідроксильні групи гліцерину при C f і С 2 етерифіковані жирними кислотами, а залишок фосфорної кислоти або залишається вільним, як у діацилгліцеринів- 3-фосфаті (або фосфатидний кислоті), або етерифіковані спиртовими гідроксилом серину, етаноламіну, холіну, інозиту, гліцерину або гліцерину і лізину. Відповідно вони називаються: фосфатидилсерин, фосфатидилетаноламін (кефалін), фосфатидилхолін (лецитин), фосфатидилінозит, фосфатіділгліцерін, лізілфосфатіділгліцерін. Об'єднання молекул фосфатидний кислоти і фосфатіділгліцеріна дає діфосфатіділгліцерін (кардіоліпін), що володіє імунологічними властивостями (рис. 5).Видалення однієї з ацильних груп призводить до лізофосфоліпідам, які мають виражені поверхнево-активними властивостями і можуть, наприклад, сприяти емульгуванню жирів у кишечнику.
Мембрани грампозитивних бактерій містять всі ці фосфоліпіди (крім лецитину), тоді як у грамнегативних бактерій основним, а то й єдиним мембранних фосфоліпідів є фосфатидилетаноламін.
Співвідношення різних класів фосфоліпідів у мембрані істотно залежить від умов вирощування організму. Наприклад, при зниженні рН середовища в мембранах бактерій починають переважати позитивно заряджені фосфоліпіди (аминоацилфосфатидилглицерины, фосфатидилетаноламін), наявність яких істотно зменшує проникність мембрани для протонів. У більшості випадків фосфоліпіди представляють собою складні ефіри гліцерину або інших багатоатомних спиртів, але існують ліпіди, в яких одна із спиртових груп гліцерину утворює просту ефірну зв'язок з ал кіламі або алкенами. Незвичайні ліпіди знайдені у великої групи прокаріотів, так званих архей (або архей), в якості простих ефірів гліцерину і довголанцюгових З-20, С-40-гідроізопреноідних спиртів (полипренолов), точніше, діфітанілдігліцерінових диефірів або дібіфітанілдігліцерінових тетраефіров (рис. 6).
- fracture ). Она более устойчива к стрессовым воздействиям окружающей среды, что позволяет микроорганизмам, имеющим такие мембраны, существовать в экстремальных условиях рН и температуры (экстремофилы). У термофилов дополнительная стабилизация достигается формированием в полипренольной цепи пятичленньгх циклов, уменьшающих вращательную подвижность углеводородных цепей.
Мембрана, утворена тетраефірамі, вже не може розглядатися як подвійний ліпідний шар в істинному значенні цього поняття і не піддається розщеплення по гідрофобною серцевині методом «заморожування-сколювання» (freeze - fracture). Вона більш стійка до стресових впливів навколишнього середовища, що дозволяє мікроорганізмам, мають такі мембрани, існувати в екстремальних умовах рН і температури (екстремофіли). У Термофіли додаткова стабілізація досягається формуванням у поліпренольной ланцюга пятічленньгх циклів, що зменшують обертальну рухливість вуглеводневих ланцюгів.Крім фосфоліпідів, побудованих на основі гліцерину, в клітинах еу-і прокаріот зустрічаються фосфоліпіди, які є похідними діодів: етіленгпіколя, 1,2 - і 1,3-пропандіолу, 1,3 -, 1,4 - і 2,3-бутандіолу , а також 1,5-пентандіола. Серед діольних ліпідів зустрічаються моно-і діацільние похідні - це складні ефіри різних жирних кислот; прості ефіри, змішані алкільні (або алкенільние) і ацильниє похідні, діольние аналоги фосфатидилхоліну, фосфатидилетаноламін та ін Зазвичай зміст діольних ліпідів складає тільки 0,5-1,5% вмісту гліцеринових ліпідів. Але деякі морські молюски та голкошкірі містять в тканинах приблизно рівні кількості похідних гліцерину і етиленгліколей. Зміст діольних ліпідів зменшується протягом зими, тому вони, ймовірно, можуть використовуватися як запасні речовини. Помічено також їх збільшення в процесі регенерації печінки у щурів.
Іншим класом «безгліцерінових» ліпідів є сфінголіпіди, основу яких становить аліфатичний аміноспірта сфингозин (або дігідросфінгозін) (рис. 7). Побудовані на його основі цераміди широко поширені в тканинах рослин і тварин, але кількість їх незначно. Вони виявлені також у пілях Escherichia . coli. Сфінгоміелін входять до складу нервової тканини, ліпідів крові та деяких інших компонентів клітин тварин.
У більшості біологічних мембран містяться також гліколіпіди. У клітинах тварин вони, як правило, є похідними сфингозин, у якого до первинного гідроксилу приєднаний залишок цукру або олігосахариду. Якщо цукрами є глюкоза або галактоза, такі ліпіди називаються цереброзидів (особливо багато їх у тканинах мозку). Якщо вуглеводної частиною є олігосахарид, мова йде про гангліозидів (виділені з ганглій, мозку і ряду інших тканин). ) и определяют прилипание этих патогенов к поверхности клеток животного организма. Гангліозид знайдені також в пілях деяких бактерій (Neisseria) і визначають прилипання цих патогенів до поверхні клітин тваринного організму. У прокаріотів (в основному у грампозитивних бактерій та ціанобактерій) гліколіпіди також містять глюкозу, галактозу і манозу. Їх кількість в мембранах невелика, але при лімітуванні фосфором може зростати, при цьому гліколіпіди, мабуть, заміщають фосфоліпіди. ) содержатся стероиды, в основном холестерин (у животных), эргостерин (у дрожжей) и стигмастерин (у растений). Нарешті, в мембранах більшості еукаріотів (а також у Mycoplasma) містяться стероїди, в основному холестерин (у тварин), ергостерин (у дріжджів) і стигмастерин (у рослин). Мікоплазми нездатні синтезувати стерини, але вимагають присутності їх в середовищі для стабілізації клітинної мембрани.
3. Природа і склад жирних кислот у мембранних ліпідах
Природа жирних кислот у ліпідах мембран залежить як від виду організму, так і від умов його існування. Найбільш часто зустрічаються жирні кислоти ліпідів тварин, рослинних і прокаріотних клітин.
Зі збільшенням числа подвійних зв'язків значно знижується температура плавлення жирних кислот (а також містять ці кислоти ліпідів) і підвищується їх розчинність в неполярних розчинниках. Оскільки функціональна активність мембранних білків регулюється фазовим станом ліпідів мембрани (як правило, в рідкому стані їх активність вище), при зниженні температури в мембрані повинен підвищуватися вміст ненасичених кислот. Завдяки стабільності внутрішніх умов (гомеостазу) тваринного макроорганізму вплив температури на жирнокислотний склад ліпідів зазвичай проявляється слабо, але, наприклад, в ліпідах нижніх кінцівок пінгвінів підвищений вміст ненасичених жирних кислот.
У мембранах прокаріотів різноманітність жирних кислот досить велике. Особливістю бактерій є наявність розгалужених і ціклопропанових кислот. У деяких грампозитивних бактерій (наприклад, Micrococcus ) 90% жирных кислот липидов составляют разветвленные кислоты, а ненасыщенные кислоты практически отсутствуют. luteus) 90% жирних кислот ліпідів складають розгалужені кислоти, а ненасичені кислоти практично відсутні. Грамнегативні бактерії містять суміш насичених і ненасичених кислот з переважанням С-16 і С-18 кислот, а також ціклопропановие кислоти (наприклад, лактобацілловую кислоту). Шляхи їх біосинтезу показані на рис. 8.
Зміна температури істотно впливає на співвідношення насичених і ненасичених жирних кислот у мембранах прокаріотів, при цьому зниження температури культивування призводить до збільшення частки ненасичених кислот. Граничними випадками є псіхрофіли, ростуть при температурах, близьких до 0 о С, у яких присутні практично тільки ненасичені жирні кислоти, а також термофіли (звична температурна середу вище 60 ° С) - у них всі жирні кислоти ліпідів насичені.
Тим не менш складу жирних кислот фосфоліпідів у бактерій при культивуванні в стандартних умовах досить сталий, і його можна використовувати як таксономічний ознака - в інтересах класифікації або при аналізі складу мікробних співтовариств без ізолювання в чистих культурах окремих представників.
Для вивчення структури, складу і функції органел необхідно, як правило, ізолювати їх з клітини в чистому вигляді. Зазвичай це досягається методом диференціального центрифугування після руйнування клітин в механічних чи ультразвукових гомогенизаторах.
Коротко охарактеризуємо основні процеси та органели (в алфавітному порядку).
Аеросоми - одношарові везикули, мембрана яких побудована тільки з білка. Сприяють підвищенню плавучості клітин, так як в них міститься газова фаза, що збігається за складом з газовою фазою навколишнього середовища.
Вакуолі - мембранні освіти, службовці для підтримки тургорного тиску, запасання різних речовин, а також виконують лізосомні функції.
Позахромосомних ДНК. В мітохондріях і хлоропластах міститься ДНК, утворює нуклеоїд бактеріального типу. бактериального типа). Ув'язнена в ній генетична інформація не дублюється в ядерній ДНК і здатна до автономного висловом в білках за допомогою власних систем транскрипції і трансляції (включають рибосоми 70 S бактеріального типу).
У прокаріотів позахромосомних ДНК організована у вигляді плазмід, які можуть існувати і реплицироваться автономно або в інтегрованому в хромосому стані (наприклад, у вигляді профага).
Гідрогеносоми - оточені одношарової мембраною і містять комплекс піруватдегідрогеназа (у трихомонад).
Гістони - представляють собою позитивно заряджені (основні) білки, що входять до складу хромосом в комплексі з ДНК (виявлені також у архей).
Глікосоми - оточені одношарової мембраною і містять ферменти гліколізу (у деяких протозойних мікроорганізмів, зокрема у збудників сонної хвороби).
Гліоксісоми - різновид пероксисом - місце локалізації ферментів гліоксалатного шунта, беруть участь у перетворенні запасних жирів у вуглеводи. Тому вони тісно асоційовані зі сферосомамі, жірозапасающімі органелами рослинних клітин.
Джгутики і війки представляють собою апарат, що визначає рухливість клітин або їх здатність створювати потік навколишнього середовища до органів поглинання їжі. Джгутики еукаріотів і прокаріотів сильно розрізняються за будовою та складом.
Карбоксісоми - оточені одношарової мембраною і містять ключові ферменти фіксації вуглекислоти в циклі Кальвіна (у фототрофних і деяких хемолітотрофних прокаріот).
Лізосоми - мембранні везикули, що містять гідролітичні ферменти, які беруть участь у кругообігу білків, полісахаридів, ліпідів та нуклеїнових кислот. Для запобігання неорганізованого дії цих ферментів вони укладені в органелу, оточену одношарової мембраною. Деякі спадкові хвороби пов'язані з недостатністю лізосомних ферментів.
Мікротрубочки і мікрофіламенти, мабуть, виконують роль цитоскелету і формуються з білка тубуліну. Вони входять до складу центріолей, що грають важливу роль в поділі ядра, а також до складу джгутиків і війок.
Мітоз - поділ ядра, що супроводжується подвоєнням числа хромосом; мейоз - поділ ядра без подвоєння числа хромосом, в результаті чого утворюються гаплоїдні клітини.
Мітохондрії є місцем здійснення окислювальних процесів, в них локалізовані ферменти циклу трикарбонових кислот, дихальна ланцюг, система окислювального фосфорит-вання. У клітинах міститься від 1 до декількох тисяч мітохондрій. Мітохондрії містять позахромосомних ДНК, здатні до самовідтворення і, можливо, ведуть свій початок від пуття-ріотіческіх клітин (ендосімбіотіческая гіпотеза). Однак частина білків цих органел кодується ядерними генами, тому вони не культивуються автономно. У прокаріотів схожі по функціях структури, що відбуваються з цитоплазматичної мембрани, називають мезо сомами.
Пероксисоми - органели, оточені одношарової мембраною і містять ряд окисних ферментів, а також каталазу, що руйнує перекис водню, що утворюється в процесі окислення. Можуть розглядатися як більш давні аналоги мітохондрій і грають важливу роль в обміні ліпідів.
Пили, фімбрії представляють собою вирости поверхні клітин і бувають прості і статеві. Прості пили побудовані з білка пилина і грають важливу роль в прикріпленні бактерій до субстрату. На поверхні клітини їх може бути 50-400 штук. Статеві пили (1 на клітину) використовуються в процесі кон'югації. Вирости клітин, що містять цитоплазму, називають простекамі.
Вони служать для збільшення поверхні клітин, прикріплення до субстрату або беруть участь у брунькування клітин.
Хітосоми - місце локалізації хітінсінтетази, зустрічаються у грибів. Здійснюють функцію переносу мікрофібрил хітину до клітинної стінки.
Хлоропласти містять хлорофіл і здійснюють процес фотосинтезу у рослин. Як і в мітохондріях, в них міститься власна ДНК. Аналогічні за функціями бактеріальні структури називають хроматофорами, а також тилакоїди і хлоросомамі. На відміну від хлоропластів вони не містять ДНК і походять з цитоплазматичної мембрани.
Целлюлосоми - містять комплекс ферментів і ліпідів. Визначають приєднання бактерій до целюлозним субстратів та їх розщеплення.
Ендоплазматтескій рітікулум - це внутрішньоклітинна мережу взаємопов'язаних, обмежених мембраною трубочок і бульбашок. Мембрана ЕПР утворює єдине ціле з ядерною мембраною. Якщо на зовнішній поверхні ендоплазматичного ретикулуму адсорбовані рибосоми, його називають шорстким, якщо ні - гладким. Шорсткий ендоплазматичний рітікулум - місце синтезу секретується білків, які потрапляють всередину його каналів, а потім надходять в «цистерни» апарату Гольджі (діктіосоми у рослин), звідки переносяться всередині мембранних везикул або в плазмалемма, або в мембрану вакуоль (тонопласт) і секретуються всередину вакуолей або в навколишнє середовище (екзоцитоз).
Ядро (нуклеоплазма) еукаріотичних клітин оточене подвійною мембраною (плазмолеммой), що містить пори (поросоми). У ядрі присутній ядерце (місце синтезу РНК і збірки рибосом). На відміну від ядра нуклеоїд прокаріотів клітин не відділений мембраною від цитоплазми і являє собою комплекс ДНК, РНК і білків.