Физиология клетки

Физиология клетки

«.. изучать организм по частям можно только для того, чтобы было проще понять его строение, но ни в коем случае нельзя рассматривать части независимо от целого. В самом деле, когда мы хотим описать физиологическое проявление и показать его истинное значение, мы обязаны относить наблюдаемые процессы к целому организму и сделать наши конечные выводы только во взаимосвязи части с целым». Клод Бернар (1865)

Организм: открытая система с внутренней средой

Существование одноклеточного организма есть проявление жизни в ее простейшей форме. Даже протисты для своего выживания должны отвечать основополагающим, но по сути своей противоположным требованиям. Одноклеточный организм должен, с одной стороны, изолировать себя от видимого беспорядка неживой среды, но в то же время как открытая система он зависим от своего внешнего окружения из-за необходимости обмена теплом, кислородом, питательными веществами, отходами жизнедеятельности и информацией.

«Изоляция» в основном обеспечивается клеточной мембраной, гидрофобные свойства которой предотвращают потенциально фатальное перемешивание гидрофильных компонентов водных растворов внутриклеточной и внеклеточной среды. Проницаемость клеточной мембраны обеспечивают белковые молекулы, которые могут существовать в форме пор (каналов) или более сложных транспортных белков-переносчиков. Оба типа белков селективны к определенным веществам, и их активность обычно регулируется. Клеточная мембрана сравнительно хорошо проницаема для гидрофобных молекул, например для газов. Это необходимо для обмена О₂ и СО₂ и для поглощения липофильных сигнальных веществ, хотя и делает клетку уязвимой для ядовитых газов, например для монооксида углерода (СО), и липофильных повреждающих агентов, например органических растворителей. Клеточная мембрана содержит и другие белки — рецепторы и ферменты. Рецепторы получают сигналы из внешнего пространства и проводят информацию внутрь клетки (сигнальная трансдукция), а ферменты позволяют клетке усваивать внеклеточные субстраты.

Представим себе первичный океан как внешнее пространство для одноклеточного организма (А). Эта среда остается более или менее постоянной, несмотря на то что организм поглощает оттуда питательные вещества и выделяет туда отходы жизнедеятельности. Имея простое строение, одноклеточный организм, тем не менее, способен отвечать на сигналы из окружающей среды путем своего перемещения. Это достигается движением псевдоподий или жгутиков, например, в ответ на изменение количества (концентрации) пищи.

Эволюция от одноклеточного к многоклеточному организму, переход от специализированных групп клеток к органам, появление двух полов, сосуществование особей в социальных группах и выход из воды на сушу — все это многократно увеличило эффективность, выживание, ареал распространения и независимость живых организмов. Тем не менее индивидуальная клетка организма по-прежнему нуждается в среде, подобной первичному океану. Теперь за обеспечение постоянных условий среды отвечает клеточная жидкость (Б), но объем этой среды уже не безграничен. На самом деле он даже меньше, чем внутриклеточный объем. Благодаря своей метаболической активности клетки быстро истощили бы запасы кислорода и питательных веществ в жидкостях и окружили себя отходами, если бы не развились органы, способные поддерживать постоянство внутренней среды. Это достигается путем гомеостаза 1 процесса, с помощью которого физиологические механизмы саморегуляции (см. ниже) поддерживают постоянный состав внутри организма посредством координации физиологической активности.

Специализированные органы обеспечивают постоянное потребление питательных веществ, электролитов и воды и выведение отходов с мочой и фекалиями. Циркулирующая кровь соединяет между собой все органы, а обмен веществами между кровью и межклеточным пространством (интерстиций) создает клетке стабильную среду. Такие органы, как пищеварительный тракт и печень, поглощают питательные вещества и переводят их в доступную для усвоения форму после распределения их по организму. Легкие отвечают за обмен газов (поглощение О₂ и выведение СО₂), печень и почки — за выведение отходов метаболизма и чужеродных веществ, а кожа — за теплообмен. Почки и легкие играют также важную роль в регуляции внутреннего пространства, т. е. они «отслеживают» содержание воды, осмотическое давление, концентрацию ионов, pH (это все за почками и легкими) и давление О₂ и СО₂ (легкие) (Б).

Для выполнения различных функций специализированными клетками и органами, естественно, требовалась их интеграция, которую осуществляли системы транспорта на большие расстояния (кровеносная и дыхательная системы), гуморальная передача информации (гормоны) и проведение электрических сигналов в нервной системе; и это только несколько примеров. Эти транспортные системы отвечают за «поставку» и удаление веществ и, таким образом, поддерживают стабильность внутренней среды даже в условиях экстремально больших нагрузок и стресса. Более того, они контролируют и регулируют функции, обеспечивающие выживание как сохранение вида. Важнейшие элементы этих систем не только отвечают за своевременное развитие репродуктивных органов и доступность способных к оплодотворению гамет при половой зрелости, но также они контролируют эрекцию, эякуляцию, оплодотворение и нидацию. Важную роль играют также координация взаимодействия матери и плода во время беременности, регуляция процесса родов и периода лактации.

Центральная нервная система (ЦНС) проводит сигналы от периферических рецепторов (отдельных сенсорных клеток или сенсорных органов), активирует периферические эффекторы (например, скелетные мышцы) и влияет на эндокринные железы. При изучении поведения человека и животных особое внимание уделяется ЦНС. Она помогает нам обнаруживать пищу и воду, а также защищаться от жары и холода. Центральная нервная система играет важную роль при выборе партнера, при заботе о потомстве на протяжении длительного времени после рождения и при социальной интеграции. ЦНС участвует в формировании, выражении и обработке эмоций, таких как влечение, равнодушие, любопытство, желание, счастье, гнев, ярость и зависть, а также таких черт характера, как творческие способности, любознательность, самосознание и ответственность. Эта тема выходит далеко за рамки физиологии, которая в узком смысле есть изучение функций организма, и, следовательно, за рамки этой книги. Несмотря на то что науки о поведении социология и психология граничат с физиологией, реальные связи между ними и физиологией налажены только в исключительных случаях.

Контроль и регуляция

Для эффективного взаимодействия между специализированными органами организма их функции должны быть отрегулированы в соответствии с нуждами всего организма. Другими словами, органы должны подлежать контролю и регуляции. Контроль подразумевает, что контролируемый параметр, например артериальное давление, становится объектом избирательной внешней модификации, например, через изменение частоты сердечных сокращений . Поскольку на артериальное давление и частоту сердечных сокращений воздействует множество других факторов, контролируемый параметр может поддерживаться на постоянном уровне только при непрерывном измерении текущего артериального давления, сравнении его с соответствующей величиной (точкой контроля) и путем постоянной корректировки любых отклонений. Если артериальное давление падает, например, когда мы резко встаем из положения лежа, частота сердечных сокращений увеличивается до тех пор, пока артериальное давление не выравнивается. Когда кровяное давление поднимается выше определенного уровня, частота сердечных сокращений опять уменьшается и артериальное давление нормализуется. Этот замкнутый тип управления называется системой контроля по принципу отрицательной обратной связи, или замкнутым контролем (В1). Система состоит из регулятора с запрограммированной точкой контроля (заданной величиной) и контрольных элементов (эффекторов), которые могут приводить регулируемый параметр к заданной величине. Система также включает детекторы, которые постоянно определяют реальное значение данного регулируемого параметра и передают его (обратная связь) регулятору, который сравнивает реальное значение регулируемого параметра с его заданной величиной и, если имеется расхождение, производит необходимое выравнивание. Система управления действует или изнутри органа (ауторегуляция), или через соподчиненный орган, такой как центральная нервная система или эндокринные железы. В отличие от обычного управления элементы системы замкнутого контроля по принципу обратной связи могут работать более точно, не вызывая отклонений от заданной величины (по крайней мере, в среднем). Кроме того, системы обратной связи способны реагировать на неожиданные возмущения. В случае регуляции артериального давления (В2), например, система может реагировать на такие события, как ортостаз или внезапная потеря крови.

Тип замкнутого контроля, описанный выше, удерживает регулируемый параметр (РП) на постоянном уровне в том случае, когда возмущения вынуждают этот параметр отклоняться от заданной величины (Г2). В пределах организма заданная величина редко бывает неизменной и, при необходимости, может быть «смещена». В этом случае расхождение между номинальным и реальным значениями вызывается изменением заданной величины и ведет к активации эффекторов (ГЗ). Поскольку процесс регуляции в этом случае запускается вариациями заданной величины (а не возмущением), этот процесс называется служебным управлением или служебным механизмом. В качестве примеров служебного управления можно назвать лихорадку и регуляцию длины мышц при помощи мускульных веретен и у-мотонейронов

Кроме обычных параметров, таких как артериальное давление, внутриклеточный pH, длина мышц, масса тела и концентрация глюкозы в плазме крови, организм регулирует и сложные процессы, такие как оплодотворение, беременность, рост, дифференциация органов, а также проведение нервных импульсов и двигательная активность скелетных мышц, например, для поддержания равновесия при беге. Процесс регуляции может занимать от долей секунды (направленное движение) до нескольких лет (процесс роста).

В системе обратной связи, описанной выше, регулируемые параметры поддерживаются на постоянном уровне лишь в среднем, на практике наблюдаются различные по величине волнообразные отклонения от среднего. Стрессовые возмущения вызывают более значительные отклонения, которые быстро нормализуются стабильной системой управления (Д, тест-объект 1). Степень отклонения может быть незначительной в одних случаях и существенной — в других. Последнее верно, например, для уровня глюкозы в крови — почти вдвое увеличивается после еды. Этот тип регуляции, разумеется, используется только для предотвращения экстремальных повышений и падений (гипер- или гипогликемия) или при хронических отклонениях регулируемого параметра. Для более точной регуляции необходима более высокая чувствительность системы управления (усиление ответа). Однако это увеличивает время стабилизации регулируемого параметра (Д, тест-объект 3) и может вести к регуляторной нестабильности, т. е. к ситуации, когда актуальный параметр колеблется то вверх, то вниз между крайними позициями (нестабильная осцилляция) (Д, тест-объект 4).

Колебание (осцилляция) регулируемого параметра в ответ на возмущение может быть ослаблено двумя путями. Во-первых, сенсоры с различными характеристиками (D-сенсоры) обеспечивают увеличение интенсивности целевого сигнала пропорционально степени отклонения регулируемого параметра от заданной величины. Во-вторых, механизм раннего предупреждения обеспечивает регулятор информацией относительно ожидаемой интенсивности возмущения еще до того, как величина регулируемого параметра действительно изменилась. Механизм раннего предупреждения можно объяснить на примере механизма терморегуляции -процесса, при котором холодовые рецепторы на поверхности кожи запускают корректировку до того, как изменения регулируемого параметра (поверхностной температуры тела) действительно произойдут . Наличие в схеме регулирования только D-сенсоров имеет свои недостатки. Это видно на примере сенсоров артериального давления (барорецепторов) при срочной регуляции артериального давления. Очень медленные, но постоянные изменения, наблюдаемые при развитии артериальной гипертензии, не регулируются. На самом деле быстрое снижение артериального давления пациента-гипертоника, вероятно, даже может вызвать обратное регуляторное повышение артериального давления. Поэтому для обеспечения долгосрочной регуляции необходимы другие системы управления.

Клетка

Клетка — это наименьшая функциональная единица живого организма. Иными словами, клетка способна выполнять основные жизненные функции, такие как метаболизм, рост, движение, размножение и передача наследственной информации. Рост, размножение и передача наследственной информации осуществляются путем клеточного деления.

Компоненты клетки

Все клетки состоят из клеточной мембраны, цитозоля или цитоплазмы, занимающей 50% объема, и мембранно-связанных субклеточных структур — органелл (А, Б). Органеллы эукариотических клеток высокоспециализированы. Например, генетический материал клеток сконцентрирован в клеточном ядре, пищеварительные ферменты локализованы в лизосомах. Окислительный синтез АТФ происходит в митохондриях.

Клеточное ядро содержит жидкость — кариоплазму, ядрышко и хроматин. В состав хроматина входит дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) -носитель генетической информации. Две цепи ДНК образуют двойную спираль (длиной до 7 см). Молекулы ДНК скручены и уложены в хромосомы длиной 10 мкм. В норме у человека имеется 46 хромосом, включающих 22 пары аутосом и хромосомы, определяющие пол (XX у женщин и XY у мужчин). ДНК построена из связанных в цепь нуклеотидов; в состав нуклеотида входят: пентоза (дезоксирибоза), фосфатная группа и азотистое основание. В повторяющейся цепочке сахарофосфатного остова (… дезоксирибоза-фосфат-дезоксирибоза…) каждая молекула сахара связана с одним из четырех азотистых оснований. Последовательность оснований представляет собой генетический код для каждого из примерно 100 000 различных белков, которые клетка продуцирует во время жизненного цикла (экспрессия генов). В двойной спирали ДНК каждое основание из одной цепи ДНК связано с комплементарным основанием другой цепи в соответствии с правилом: аденин (А) соединяется с тимином (Т), а гуанин (G) — с цитозином (С). Последовательность оснований в одной цепи двойной спирали (Д) всегда является зеркальным отражением последовательности оснований в противоположной. Таким образом, одна из цепей может быть использована как основа для изготовления новой комплементарной цепи, информационное содержание которой идентично оригиналу. При клеточном делении этот процесс служит для удвоения генетической информации (репликации).

Информационная РНК (иРНК) отвечает за передачу кода для синтеза белка (аминокислотная последовательность), т. е. перенос кодирующих последовательностей ДНК (последовательность оснований) из ядра в цитозоль (В1). Информационная РНК образуется в ядре и отличается от ДНК тем, что состоит только из одной цепи, содержит рибозу вместо дезоксирибозы и урацил (U) вместо тимина. В ДНК каждая аминокислота (например, глутаминовая кислота, Д), необходимая для синтеза белка, кодируется набором трех последовательных оснований, называемых кодоном или триплетом (например, С-Т-С для глутаминовой кислоты). Для того чтобы транскрибировать триплет ДНК, на иРНК должен образоваться комплементарный кодон (например, G-A-G для глутаминовой кислоты). Относительно небольшая молекула транспортной РНК (тРНК) отвечает за чтение кодона на рибосомах (В2). Для этой цели тРНК содержит комплементарный кодон, называемый антикодоном. Антикодон для глутаминовой кислоты представляет собой последовательность C-U-C (Д).

Синтез РНК в ядре контролируется РНК-полимеразами (I-III типов). Действие этих полимераз на ДНК обычно заблокировано белком-репрессором. Фосфорилирование полимеразы происходит, если репрессор удал
ется (ДНК дерепрессируется), и основной транскрипционный фактор прикрепляется к так называемой промоторной последовательности молекулы ДНК (Т-А-Т-А для полимеразы II типа). Будучи активированной, она расплетает две цепи ДНК на определенном участке, так что код на одной из цепей может быть прочитан и транскрибирован в форме иРНК) (транскрипция) (В1а, Г). Молекулы гетерогенной ядерной РНК (гяРНК), синтезированные полимеразой, имеют на 5′-конце специфическую «головку» («кэп»-структуру), а на 3′-конце — «хвост» в виде полиадениновой последовательности (А-А-А…) (Г). Сразу после синтеза они покрываются белковой оболочкой, образуя гетерогенные ядерные рибонуклеопротеиновые частицы (гяРНП-частицы). Первичная РНК, или пре-иРНК гяРНК, содержит как транслируемые последовательности (экзоны), так и нетранслируемые (интроны). Экзоны кодируют аминокислотные последовательности, с которых происходит синтез белков, тогда как интроны не вовлечены в процесс кодирования. Интроны могут содержать от 100 до 10 000 нуклеотидов, они удаляются из первичной цепи иРНК при помощи процесса сплайсинга (В1б, Г) и затем деградируют. Интроны несут информацию о месте сплайсинга. Сплайсинг является АТФ-зависимым процессом и требует взаимодействия нескольких белков в составе рибонуклеопро-теинового комплекса, называемого сплайсосомой. Интроны обычно составляют большую часть молекулы пре-иРНК. Например, в нуклеотидной цепи фактора коагуляции VIII на них приходится 95%, что соответствует 25 интронам. иРНК также может быть модифицирована (например, путем метилирования) во время посттранскрипционной модификации.

РНК выходит из ядра через ядерные поры (около 4000 на ядро) и входит в цитоплазму (В1в). Ядерные поры — это высокомолекулярные белковые комплексы (125 МДа), локализованные в ядерной мембране. Ядерные поры пропускают большие молекулы (например, транскрипционные факторы, РНК-полимеразы или цитоплазматические рецепторы стероидных гормонов) в ядро, ядерные молекулы (иРНК, тРНК и др.) — из ядра, а некоторые молекулы, например рибосомальные белки, — в оба направления. АТФ-зависимый транспорт молекул в любом направлении не может осуществиться без помощи специфического сигнала, который и направляет молекулу в пору. Вышеупомянутая 5‘-концевая «кэп-структура» отвечает за выход иРНК из ядра, а одна или две специфические последовательности некоторых (преимущественно катионных) аминокислот необходимы в качестве сигналов для входа белков в ядро. Эти последовательности формируют часть пептидной цепи так называемых ядерных белков и, возможно, образуют пептидную петлю на поверхности белка. В случае цитоплазматического рецептора глюкокортикоидов в отсутствие глюкокортикоида сигнал ядерной локализации замаскирован белком шапероном (белком теплового шока 90; англ. — heat shock protein 90 или hsp90) и становится доступен только после связывания гормона, при этом высвобождая hsp90 из рецептора. Активированный рецептор затем достигает клеточного ядра, где связывается с определенными последовательностями РНК и контролирует ряд генов.

Ядерная оболочка построена из двух мембран (двух фосфолипидных бислоев), которые сливаются у ядерных пор. Эти две мембраны различаются по составу. Внешняя мембрана непрерывно соединена с мембраной эндоплазматического ретикулума ОПР), который описан ниже (Е).

иРНК, вышедшая из ядра, направляется к рибосомам (В1), которые или свободно плавают в цитозоле, или связаны с цитозольной стороной эндоплазматического ретикулума, как описано ниже. Каждая рибосома состоит из десятков белков, ассоциированных с набором структурных молекул РНК, называемых рибосомальными РНК (рРНК). Две субъединицы рибосомы сначала транскрибируются с многочисленных рРНК-генов в ядрышке, потом по 16 отдельности покидают клеточное ядро через ядерные поры. Собранные вместе и формирующие рибосому, они представляют собой биохимический аппарат для синтеза белка (трансляции) (В2). Синтез пептидной цепочки требует присутствия специфических молекул тРНК (как минимум одной для каждой из 21 образующей белок аминокислоты). В этом случае аминокислота-мишень связана с С-С-А-кон-цом тРНК (одинаковым для всех молекул тРНК), а соответствующий антикодон, распознающий кодон иРНК, локализован на другом конце (Д). Каждая рибосома имеет два сайта связывания тРНК: один -для последней включенной аминокислоты и другой -для следующей за ней (не показано на Д). Синтез белка начинается, когда считывается инициирующий кодон (старт-кодон), и заканчивается по достижении терминирующего кодона (стоп-кодона). Затем рибосома диссоциирует на две субъединицы и высвобождает иРНК (В2). Рибосомы могут присоединять примерно 10-20 аминокислот в секунду. Однако, поскольку цепь иРНК обычно транслируется одновременно многими рибосомами (полирибосомами, или полисомами) в разных участках, белок синтезируется гораздо быстрее, чем его иРНК. В костном мозге, например, за секунду образуется в целом около 5 * 10¹⁴ копий гемоглобина, содержащих 574 аминокислоты каждая.

Эндоплазматический ретикулум (ЭПР) (В, Е) играет центральную роль в синтезе белков и липидов, а также служит внутриклеточным хранилищем Са2+. ЭПР представляет собой сеть взаимосвязанных разветвленных каналов и уплощенных полостей, связанных с мембраной. На закрытые пространства (цистерны) приходится около 10% клеточного объема, а мембраны ЭПР составляют до 70% общей массы мембран клетки. Рибосомы могут прикрепляться к цитозольной поверхности участков ЭПР, формируя шероховатый эндоплазматический ретикулум (шЭПР). Эти рибосомы синтезируют экспортируемые белки, а также трансмембранные белки (Ж) для плазматической мембраны, эндоплазматического ретикулума, аппарата Гольджи, лизосом и т. д. Начало синтеза белка (на N-конце) такими рибосомами (все еще свободными) индуцирует сигнальную последовательность, к которой в цитозоле прикрепляется сигнал-распознающая частица (СРЧ, или англ. SRP). В результате (а) синтез временно останавливается и (б) рибосома (посредством СРЧ и рецептора СРЧ) присоединяется к рецептору рибосомы на мембране ЭПР. После этого синтез продолжается. По окончании синтеза экспортируемого белка белок-транслокатор проталкивает пептидную цепь в пространство цистерны. Синтез мембранных белков несколько раз прерывается (в зависимости от количества трансмембранных доменов) (Ж2) путем блокирования белка-транслокатора, а соответствующая (гидрофобная) пептидная последовательность внедряется в фосфолипидную мембрану.

Гладкий эндоплазматический ретикулум (гЭПР) не содержит рибосом и является местом синтеза липидов (например, липопротеинов) и других веществ. Мембраны ЗПР, содержащие синтезированные мембранные белки или экспортные белки, формируют везикулы, которые транспортируются в аппарат Гольджи.

Комплекс Гольджи, или аппарат Гольджи (Е), имеет последовательно соединенные компартменты для дальнейшего процессинга продуктов из эндоплазматического ретикулума. Он состоит из цис-Гольджи сети (обращенной входом к ЭПР), плоских запасающих цистерн (цистерны Гольджи) и транс-Гольджи сети (отвечающей за сортировку и распределение). Функции комплекса Гольджи:

• синтез полисахаридов;

• процессинг белков (посттрансляционная модификация), например гликозилирование по некоторым аминокислотам (частично протекает в ЭПР), тех мембранных белков, которые позднее превращаются в гликокаликс на внешней поверхности клетки (см. ниже); и у-карбоксилирование глутаматных остатков;

• фосфорилирование сахаров гликопротеинов (например, до маннозо-6-фосфата, как описано ниже);

• «упаковка» экспортируемых белков в секреторные везикулы (секреторные гранулы), содержимое которых выводится во внеклеточное пространство.

Таким образом, аппарат Гольджи представляет собой главный центр модификации, сортировки и распределения белков и липидов, поступивших из эндоплазматического ретикулума.

Регуляция экспрессии генов происходит на уровне транскрипции (В1а), модификации РНК (В1б), экспорта иРНК (В1в), деградации РНК (В1г), трансляции (В1ж), модификации и сортировки (Е, е), а также деградации белков (Е, ж).

Митохондрии (А, Б) являются местом окисления углеводов и липидов до СО₂ и Н₂О и потребления кислорода, необходимого для этих реакций. Цикл Кребса (цикл лимонной кислоты), дыхательная цепь и связанный с ними синтез АТФ также локализованы в митохондриях. Клетки, обладающие большой метаболической и транспортной активностью, богаты митохондриями, например гепатоциты, клетки кишечника, а также эпителиальные клетки почек. Митохондрии заключены в двойную мембранную оболочку, состоящую из гладкой внешней мембраны и внутренней мембраны, которая характеризуется выраженной складчатостью, формирует серии выступов, или крист; внутренняя мембрана имеет также важные транспортные функции. Вероятно, митохондрии в клетке прошли долгий путь совместной эволюции от симбиоза между аэробными бактериями и анаэробными клетками (симбиотическая гипотеза) — митохондриальная ДНК (мтДНК) бактериального происхождения, а двойные мембраны митохондрий являются их эволюционными реликтами. Митохондрии также содержат рибосомы, которые синтезируют все белки, кодирующиеся мтДНК.

Лизосо

Видео по теме