Компартментация эукариотической клетки

26.09.2014
Компартментация
эукариотической клетки
1


Компартмент – клеточная область имеющая
особенные свойства и функции;
Клеточные компартменты отличаются:




Строением;
Химическим составом;
Набором ферментов;
Функциями.
2
3
1
26.09.2014
Организация эукариотной клетки

Поверхностный Метаболитический  Генетический
аппарат
аппарат
аппарат





Барьерная
Транспортная
Рецепторная
Клеточные
контакты
Защитная
Плазмалемма





Синтез ОВ
Расщепление
ОВ
Детоксификация
Энергетическая
Сигнальная




ДНК
Аппарат
репликации
Аппарат
репарации
Аппарат
транскрипции
Цитоплазма и
органоиды
Ядро
4
Клеточная активность
обеспечивается:

Синтезом органических веществ





Малых молекул (аминокислоты, нуклеотиды,
жирные кислоты)
Макромолекул (НК, Б, Л, Пс, Ос)
Созревание молекул
Сортировка молекул
Перенос молекул на место назначения.
5
Клеточная активность
обеспечивается :

Расщеплением экзогенных ОВ:




Расщеплением эндогенных ОВ:




Чужеродных для данной клетки (вирусы, бактерии)
Строительный материал (АА, Н, Г)
Энергетический материал (Г, Л)
Избыточных
Отработанных
Дефектных
Нейтрализация токсических метаболитов и
ксенобиотиков
6
2
26.09.2014
Ферментативный аппарат

Фермент – белок со специфичной
каталитической функцией


Содержит активные центры для взаимодействия с
субстратом и АТФ
Ферменты активируются кофакторами: ионы
металов+, витамины, Ос, микроРНК
7
Классификация ферментов

Синтетазы




Лигазы








Метил-траныфераза
Ацетил-трансфераза
Киназа (P)
Лиазы


Протеаза
Эндонуклеаза
Экзонуклеаза
Липаза
Гликозидаза
Трансферазы


Топоизомераза I, II
Гидролазы


ДГК-лигаза
Изомеразы


ДНК-полимераза
РНК-полимераза
Пептидил-трансфераза
Гликолиаза
Охидоредуктазы


Пероксидаза
Редуктаза
8
Нуклеиновые кислоты

Синтез



Созревание



Полимеразы + топоизомеразы + лигазы
Ядро, митохондрии
Рибозимы + киназы
Ядро, митохондрии
Расщепление


Запрограммированное (Репарация ДНК (Я),
Процессинг РНК (Я), Гидролиз РНК (Ц))
Незапрограммированное (случайное (Я, Ц),
чужеродные НК (Ц, Лс))
9
3
26.09.2014
Белки

Синтез



Созревание



Пептидил-трансферазы
Рибосомы Ц / ЭПС / М
Шапероны, Киназы, Протеазы, Трансферазы
ЭПС → АГ / Ц / М
Расщепление


Запрограммированное (Процессинг, Гидролиз (Ц
/ ЭПС / АГ / Лс))
Незапрограммированное (Случайное (Ц),
чужеродные белки (Ц, Лс))
10
Белки
Рибосомы
Белки
Задержка
Задержка
Цитозоль
Митохондрии
шЭПС
Задержка
Пероксисомы
Аппарат Гольджи
Ядро
Лизосомы
Секреторные
везикулы
Мембраны
11
Углеводы

Синтез



Созревание



Гликозил-трансферазы
Ц
Гликозил-трансферазы
АГ
Расщепление


Запрограммированное (Ц →М / Дс)
Незапрограммированное (Экзогенные (Ц, Лс))
12
4
26.09.2014
Lipide

Синтез



Созревание



Трансферазы
гЭПС
ЭПС
АГ
Расщепление


Запрограммированное (Ц →М / Лс)
Незапрограммированное (Экзогенные (Ц, Лс))
13
Нейтрализация токсинов

Ксенобиотики (лекарства, пестициды,
никотин, алкоголь, красители E, пищевые
консерванты E…)



Трансферазы
гЭПС
Токсические метаболиты (свободные
радикалы, пероксиды, кетоны, фенолы…)


Оксидазы + Каталаза
Пероксисомы
14
Клеточная энергия

Синтез АТФ



Охидо-редуктазы, Гидролазы, АТФ-синтетазы
Ц→М
Расщепление АТФ: При необходимости




При синтезе ОВ
При созревании ОВ
При переносе веществ
При расщеплении ОВ
15
5
26.09.2014
Транспорт веществ

Мембранный



Везикулярный (Рецептор/лиганд)



Пассивный (Диффузия, осмозис, при помощи
белков)
Активный (участвуют АТФ-азы)
Эндо- / Экзо- / Трансцитоз
Внутриклеточный(ЭПС → АГ → Плазмалемма /
Лс / ЭПС)
При помощи цитоплазматических белков
16
Компартменты эукариотической клетки








Ядро – метаболизм НК
шЭПС – синтез белков
гЭПС – синтез липидов, детоксификация
ксенобиотиков
АГ – созревание, сортировка, перенос ОВ
Лизосомы – гидролиз ОВ
Пероксисомы – детоксификация
метаболитов
Митохондрии – энергетический обмен
Цитозоль – метаболизм малых молекул
17
Эндоплазматический
ретикуллум



Сложная система одномембранных каналов,
цистерн и трубочек.
Неоднороден по строению и функциям.
Белки:
- мембранные – рибофорин, белки-транслокаторы,
кальциевый насос, SRP-рецепторы,
- белки лумена – дисульфид изомераза, шапероны
(BiP), олигосахарил-трансферазы, цитохром Р450
6
26.09.2014
Различают два типа
участков в ЭПР:

Гранулярный

Гладкий
Функции:
грЭПР
• синтез и транспорт белков,
• первичная модификация,
•образование клеточных
мембран
Функции:
•синтез липидов, стероидных
гормонов,
• детоксикация ксенобионтов,
•депонирование ионов кальция,
•обновление мембран
глЭПР
В ЭПР синтезируются белки:



Мембранные интегральные
Экспортные (секреторные)
Лизосомные
7
26.09.2014
Биогенез ЭПР



Мембраны самообновляются (белки
образуются в грЭПР, а липиды – в глЭПР)
Специфические ферменты синтезируются
в ЭПР и созревают в АГ
Рибосомы образуются в ядрышке
Болезни, связанные с нарушениями
фолдинга белков





Болезнь Фабри
Наследственная эмфизема
Болезнь Тея-Сакса
Спондило-эпифизарная дисплазия
Синдром Ларона
Аппарат Гольджи



Состоит из
одномембранных цистерн и
пузырьков
Имеет два
функциональных участка:
цис и транс
Белки: гликозидазы,
маннозидазы,
трансферазы и др.
8
26.09.2014
Функции аппарата Гольджи
- модификация веществ (конверсия белков,
сульфатирование и гликозилирование
белков и липидов)
- синтез полисахаридов
- транспорт веществ
- обновление мембран
- образование секреторных пузырьков
- образование лизосом
- внутриклеточная сортировка
Этапы клеточной секреции
Биогенез АГ



Цис-участок – при участии везикулярных
пузырьков ЭПР
Промежуточный участок – при участии
цис-пузырьков
Транс-участок – при участии пузырьков
промежуточного участка.
9
26.09.2014
Лизосомы




Одномембранные пузырьки,
наполненные гидролитическими
ферментами
Содержимое лизосом имеет кислый рН
Особенности мембраны:
гликозилированные белки, встроенные в
мембрану ферменты, ионный водородный
насос
Белки: гидролитические ферменты,
мембранные белки.
Функции лизосом


Основная функция: контролируемое
расщепление веществ
Дополнительные функции:
рассасывание структур в эмбриогенезе,
расщепление оболочки яйцеклетки и
др.
10
26.09.2014
С внутриклеточным расщеплением веществ связаны
следующие процесы, которые отличаются по типу веществ и
путям поступления их в лизосомы:




Эндоцитоз – образование эндосом и слияние их с
первичными лизосомами.
Аутофагия - расщепление старых или
поврежденных органоидов клетки путем окружения
их мембраной и слияния с лизосомой.
Кринофагия – расщепление избытка
секретируемых клеткой веществ.
Фагоцитоз – поглощение и расщепление крупных
частиц и м\о специализированными клетками.
Биогенез лизосом
11
26.09.2014
Классификация лизосом



Первичные – содержат только
гидролитические ферменты
Вторичные – результат слияния с
фагосомой или аутофагосомой
Третичные (остаточные тельца) –
содержат нерасщепленные частицы и
вещества
Болезни, связанные с нарушениями
лизосом





Болезнь Тея-Сакса
Болезнь клеток I-типа
Лейкодистрофии
Галактоземия
Болезнь Гоше
Тип 1
12
26.09.2014
Тип 3
Тип 2
Пероксисомы



-

Есть во всех эукариотных клетках, но
особенно много их в клетках печени
и почек.
Небольшие одномембранные
органоиды, содержащие
окислительные ферменты.
Функции:
детоксикация вредных веществ
расщепление перекиси водорода
окисление жирных кислот и
образование ацетилСоА.
Белки: каталаза, пероксидаза,
уратоксидаза, пероксины.
Биогенез пероксисом



Мембраны пероксисом образуются при
участии ЭПР и АГ
Ферменты лизосом синтезируются на
свободных рибосомах в цитозоле
Новые пероксисомы образуются путем
роста и деления предшествующих
перксисом
13
26.09.2014
Болезни, связанные с нарушениями
пероксисом



Болезнь Цельвегера
Адренолейкодистрофии
Акаталаземия
Митохондрии
Окружены двумя мембранами.
Число и форма зависят от типа
клеток.
Обладают относительной
автономностью, т.к. имеют свою
ДНК и делятся независимо.
Состоят их 4-х
субкомпартиментов:




- внешняя мембрана
- внутренняя мембрана
- матрикс
- межмембранное пространство
Функции:
- окислительное
фосфорилирование,
- синтез АТФ и белков.

В митохондриях происходят процессы энергетического и
пластического метаболизма.
Они обеспечиваются следующими белками:




Транспортные белки - транслокаторы (ТОМ, TIM), порин,
ОХА-комплекс
АТФ-синтетаза
Ферменты матрикса
Белки дыхательной цепи.
! Незначительная часть белков кодируются
митохондриальными генами и синтезируются в
митохондриях, однако более 90% белков кодируются
ядерными генами и синтезируются в цитозоле,
откуда поступают в митохондрии.
14
26.09.2014
Болезни, связанные с нарушениями
митохондрий
атрофия зрительного нерва Лебера,
наследственные кардиомиопатии,
 прогрессирующие офтальмоплегии,
 прогрессирующая энцефаломиопатия
(MELAS )


Немембранные органоиды клетки


Рибосомы
Цитоскелет
Рибосомы
•
немембранные органоиды клетки
• состоят из рРНК и белков
• свободные в цитозоле или
прикреплены к ЭПР
• являются местом
синтеза белка в
клетке
• образуются в
ядрышке
15
26.09.2014
Цитоскелет



Сложная система белковых нитей и трубочек,
которые пронизывают всю цитоплазму.
Это динамичная, упорядоченная и способная к
самосборке система.
Белки: актин, миозин, тубулин, кератин,
виментин, десмины и др.- синтезируются на
свободных рибосомах в цитозоле
Цитоскелет состоит из трех основных элементов:

Микрофиламенты

Микротрубочки

Промежуточные
филаменты
Микротрубочки в клетке могут быть



в свободном виде
в составе временных структур (нити
веретена деления)
в составе постоянных структур (центриоли,
реснички и жгутики)
16
26.09.2014
Центриоли



Это структуры в форме
цилиндров из девяти
триплетов микротрубочек.
Пара центриолей,
расположенных вблизи ядра,
образует центросому, или
клеточный центр – место
организации микротрубочек.
Функции центриолей:
- сборка и рост микротрубочек,
- образование веретена
деления,
- образование ресничек и
жгутиков.
Реснички и жгутики


Тонкие волосовидные образования,
содержащие в середине пучок
микротрубочек (9 двойных по кругу +
2 одиночные в центре)
Есть на поверхности большинства
животных клеток
Функции :
• защитная (в эпителиальных клетках
дыхательных путей)
• двигательная (продвижение яйцеклетки
по яйцеводу, движение сперматозоидов)
Функции цитоскелета






Обеспечивает форму клетки и ее органоидов
Определяет положение органоидов в
цитоплазме
Обеспечивает внутриклеточный транспорт
Обеспечивает подвижность клетки
Отвечает за образование центриолей, веретена
деления, ресничек и жгутиков
Участвует в образовании клеточных контактов
17
26.09.2014
В эукариотной клетке можно выделить
следующие системы:




Система биосинтеза и созревания веществ:
- ЭПР, рибосомы, АГ
Система энергетического обмена:
- митохондрии
Система расщепления и детоксикации веществ:
- лизосомы и пероксисомы
Опорно-двигательная система:
- цитоскелет.
Что необходимо знать о компартментах:




Что происходит в каждом компартменте?
Какие белки содержит?
Как перемещаются молекулы от одного
компартмента к другому?
Как компартменты образуются и обновляются?
18