Деннис Тейлор – Биология. В 3-х томах. Т. 1 (страница 58)
7.2.5. Эндоплазматический ретикулум (ЭР)
Одним из самых важных открытий, сделанных с помощью электронного микроскопа, было обнаружение сложной системы мембран, пронизывающей цитоплазму всех эукариотических клеток. Эта сеть мембран, получившая название эндоплазматический ретикулум (лат. reticulum-сеть), очень хорошо развита в клетке, но лежит за пределами разрешающей способности светового микроскопа. Сразу же было отмечено, что мембраны усеяны какими-то мелкими частицами, которые позже стали известны под названием "рибосом". Приблизительно в то же время методом дифференциального центрифугирования была получена клеточная фракция, способная осуществлять синтез белка. Изучение этой фракции с помощью электронного микроскопа показало, что она состоит из множества мелких мембранных мешочков (везикул), покрытых снаружи рибосомами. Эти мембранные мешочки были названы микросомами. Теперь мы знаем, что появление микросомной фракции — это результат процесса гомогенизации. Когда при гомогенизации ЭР распадается на мелкие фрагменты, края этих фрагментов смыкаются и образуются везикулы. В интактных клетках микросом нет.
На ультратонких срезах ЭР имеет вид множества парных параллельных линий (мембран), располагающихся в цитоплазме (рис. 7.4.-7.6). Однако иногда срез проходит так, что мы получаем возможность посмотреть как бы сквозь поверхность этих мембран, и тогда можно видеть, что в трех измерениях ЭР имеет не трубчатое, а пластинчатое строение. Модель трехмерной структуры ЭР изображена на рис. 7.16. ЭР состоит из уплощенных мембранных мешочков, называемых цистернами. Цистерны ЭР могут быть покрыты рибосомами, и тогда он называется шероховатым ЭР; если рибосомы отсутствуют, то его называют гладким ЭР (строение ближе к трубчатому). Функция обоих типов ЭР связана с синтезом и транспортом веществ.
Рис. 7.16. Трехмерная модель эндоплазматического ретикулума
Функции шероховатого эндоплазматического ретикулума связаны с транспортом белков, синтезируемых рибосомами на его поверхности. Подробно белковый синтез описан в гл. 22. Здесь достаточно сказать, что растущая белковая молекула, т. е. цепь из аминокислот, или так называемая полипептидная цепь, остается присоединенной к рибосоме до тех пор, пока ее синтез не завершится. В начале синтеза белка первую часть растущей цепи может составлять "сигнальная последовательность", соответствующая по своей конфигурации специфическому рецептору на мембране ЭР и благодаря этому обеспечивающая связывание рибосомы с ЭР. Рецептор образует канал, по которому белок переходит в цистерны ЭР (рис. 7.17). Как только белок попадет внутрь, сигнальная последовательность отделяется от полипептидной цепи, и белок, свертываясь, приобретает в цистернах ЭР свою третичную структуру.
Рис. 7.17. Поступление новосинтезированного белка в эндоплазматический ретикулум
Транспортируясь затем по цистернам, белок обычно претерпевает на своем пути весьма существенные изменения. Он может, например, фосфорилироваться или превращаться в гликопротеин. Обычный путь для белка — это путь через шероховатый ЭР в аппарат Гольджи, откуда он либо выходит из клетки наружу (секретируется), либо поступает в другие органеллы той же клетки, например в лизосомы или откладывается в виде запасных гранул.
Белок, не имеющий сигнальной последовательности, синтезируется свободными рибосомами и выделяется в цитозоль для использования в этой же клетке.
Одной из главных функций гладкого ЭР является синтез липидов. Так, в эпителии кишечника гладкий ЭР синтезирует липиды из жирных кислот и глицерола, всасывающихся в кишечнике, а затем передает их в аппарат Гольджи для экспорта. Стероиды — это один из классов липидов, поэтому гладкий ЭР обильно представлен в тех клетках, которые секретируют стероидные гормоны, например в клетках коры надпочечников или в интерстициальных клетках семенников. В печени как шероховатый, так и гладкий ЭР участвуют в процессах детоксикации. В мышечных клетках присутствует особая, специализированная форма гладкого ЭР — так называемый саркоплазматический ретикулум (разд. 17.4).
7.2.6. Рибосомы
Рибосомы — это очень мелкие органеллы (диаметром около 20 нм). Число рибосом в цитоплазме живых клеток весьма велико как у прокариот, так и у эукариот. В обычной бактериальной клетке содержится, например, до 10000 рибосом, а в эукариотических клетках число их в несколько раз больше. Рибосомы служат местом белкового синтеза.
Каждая рибосома состоит из двух субчастиц — большой и малой, как это можно видеть на рис. 7.18. Из-за мелких размеров рибосомы при дифференциальном центрифугировании седиментируют последними среди всех других органелл: рибосомную фракцию можно получить лишь после центрифугирования при 100000 g в течение 1-2 ч. Опыты по седиментации выявили существование двух главных типов рибосом, которые были названы 70S- и 80S-рибосомами[28]. 70S-рибосомы обнаруживаются у прокариот, а несколько более крупные 80S-рибосомы — в цитоплазме эукариотических клеток. Интересно отметить, что в хлоропластах и митохондриях содержатся 70S-рибосомы, что указывает на какое-то родство этих эукариотических органелл с прокариотами (разд. 9.3.1).
Рибосомы состоят из примерно равных (по массе) количеств РНК и белка (т. е. представляют собой рибонуклеопротеиновые частицы). Входящая в их состав РНК, называемая рибосомной РНК (рРНК), синтезируется в ядрышке. Распределение в рибосоме белковых молекул и молекул рРНК показано на рис. 7.18. Вместе те и другие образуют сложную трехмерную структуру, обладающую способностью к самосборке.
Рис. 7.18. Строение 70S-рибосомы. (В субчастицах 80S-рибосом больше белка, а в ее большой субчастице содержится не две, а три молекулы рРНК.)
Во время синтеза белка на рибосомах аминокислоты, из которых строится полипептидная цепь, присоединяются к растущей цепи последовательно одна за другой. Подробно этот процесс описан в гл. 22. Рибосома служит местом связывания для молекул, участвующих в синтезе, т. е. таким местом, где эти молекулы могут занять по отношению друг к другу совершенно определенное положение. В синтезе участвуют: матричная РНК (мРНК), несущая генетические инструкции от клеточного ядра, транспортная РНК (тРНК), доставляющая к рибосоме требуемые аминокислоты, и растущая полипептидная цепь. Должны также занять надлежащее место факторы, ответственные за инициацию, элонгацию и терминацию цепи. Весь процесс в целом настолько сложен, что без рибосомы он не мог бы идти эффективно (или не шел бы вообще).
В эукариотических клетках отчетливо видны две популяции рибосом — свободные рибосомы и рибосомы, присоединенные к ЭР (рис. 7.3, 7.5 и 7.16). Строение тех и других идентично, но часть рибосом связана с ЭР через белки, которые они синтезируют, о чем мы уже говорили в предыдущем разделе. Такие белки обычно секретируются. Примером белка, синтезируемого свободными рибосомами, может служить гемоглобин, образующийся в молодых эритроцитах.
В процессе синтеза белка рибосома перемещается вдоль нитевидной молекулы мРНК. Процесс идет более эффективно, когда вдоль мРНК перемещается не одна рибосома, а одновременно много рибосом, напоминающих в этом случае бусины на нитке. Такие цепи рибосом называются полирибосомами или полисомами. На ЭР полисомы обнаруживаются в виде характерных завитков (рис. 7.16). Их можно выделить в интактном виде методом центрифугирования.
7.2.7. Аппарат Гольджи
Структуру, известную теперь как аппарат Гольджи, впервые обнаружил в клетках в 1898 г. Камилло Гольджи, применивший в своих наблюдениях особую методику окрашивания. Однако подробно исследовать ее удалось только с помощью электронного микроскопа. Аппарат Гольджи содержится почти во всех эукариотических клетках и представляет собой стопку уплощенных мембранных мешочков, так называемых цистерн, и связанную с ними систему пузырьков, называемых пузырьками Гольджи. В растительных клетках обнаруживается ряд отдельных стопок, называемых диктиосомами (рис. 7.6). В животных клетках чаще можно встретить одну большую стопку. Трехмерную структуру аппарата Гольджи трудно выявить при изучении ультратонких срезов, однако наблюдения с применением негативного окрашивания позволяют предположить, что вокруг центральной стопки формируется сложная система взаимосвязанных трубочек (рис. 7.19).
Рис. 7.19. А. Трехмерная структура аппарата Гольджи. Б. Микрофотография, полученная с помощью трансмиссионного электронного микроскопа, на которой видны два аппарата Гольджи: слева — диктиосома в вертикальном разрезе, справа — самая верхняя цистерна, какой она видна сверху, × 50000
На одном конце стопки постоянно образуются новые цистерны путем слияния пузырьков, отпочковывающихся, вероятно, от гладкого ЭР. Эта "наружная", или формирующая, сторона стопки выпуклая, тогда как другая, "внутренняя", где завершается созревание и где цистерны вновь распадаются на пузырьки, имеет вогнутую форму. Стопка состоит из многих цистерн, которые, как полагают, постепенно перемещаются от наружной стороны к внутренней.