Цитоплазматические структуры

Цитоплазма, заполняющая клетку, представляет собой сложную коллоидную систему. Матрикс (цитозоль) цитоплазмы состоит из белков и РНК (коллоидная часть), а также аминокислот, жирных кислот, сахаров, органических и неорганических веществ, нуклеотидов, которые образуют истинные растворы. Ионный состав этих соединений определяет буферные и осмотические свойства матрикса. В цитоплазме протекают различные биохимические процессы: гликолиз, синтез жирных кислот, нуклеотидов, некоторых аминокислот и т.д..

В матриксе располагается все органоиды, которые связанны в единую систему.

Рибосомы – самые маленькие по размеру структуры (диаметр до 20 нм), содержат до 50% РНК клетки. Некоторая их часть связана с поверхностью мембран эндоплазматического ретикулума. Функция рибосом состоит в биосинтезе белка.

Рибосомы состоят из белка (50%) и РНК (42-50%). На их долю приходится около 15% сухой массы цитоплазмы.

Митохондрия (М) – полуавтономная клеточная структура, окруженная двойной трехслойной липипротеидной мембраной, толщиной 6-10 нм каждая. Между ними находится перимитохондриальное пространство, равное около 10 нм. Внутренняя мембрана образует складки – кристы. Внутри митохондрии находится матрикс, в котором сосредоточены ферменты ЦТК (рис. 3.4).

Рисунок 3.4 – Схематическое изображение строения митохондрии

Чем более интенсивно протекают биосинтетические процессы в митохондрии, тем больше крист, за счет которых увеличивается активная поверхность М,на которой локализуются дыхательные ферменты, поэтому митохондрии называют «легкими» клетки.

В анаэробных условиях, митохондрии деградируют, при этом уменьшается число этих структур, увеличивается их размер, но снижается количество крист. Эти деградирующие митохондрии называют промитохондриями.Однако при внесении дрожжей в среду, с растворенным в ней кислородом, происходит активное деление промитохондрий, изменение их структуры – увеличение числа крист. При этом важно, что скорость деления митохондрий превышает скорость деления ядра. Это объясняется тем, что данная структура обладает собственным генетическим аппаратом.

ДНК дрожжевых митохондрий, которая составляют 15-23% всей ДНК клетки, представляет собой кольцевую молекулу с молекулярной массой (М.М.) в 5 раз большей, чем М.М. ДНК в митохондриях высших животных. Своей кольцевой формой митохондриальные хромосомы напоминают хромосому бактерий, причем размножаются митохондрии подобно бактериям. Однако М – не обособленная от клетки структура: в митохондриях синтезируется только 1/4 митохондриальных белков. Основная часть белков митоондрий синтезируется на цитоплазматических рибосомах.

В митохондриях проходят важнейшие биохимические процессы, связанные с дыханием. Большая часть ферментов цикла трикарбоновых кислот (ЦТК) находится в матриксе митохондрии. Ферменты, участвующие в транспорте электронов и окислительном фосфорилировании, локализованы на внутренней мембране митохондрии, в том числе и на кристах.

На развитие митохондрий влияют не только физико-химические условия культивирования (рН, температура, концентрация кислорода и т.д.), но и состав питательной среды. Так добавление липидов, например олеиновой кислоты или эргостерола, приводит к образованию крист. На развитие митохондрии оказывает влияние также концентрация глюкозы в среде, которая вызывает проявление эффекта Кребтри. Активность митохондрий, связанная с ферментами ЦТК, зависит от наличия в среде культивирования факторов роста, макро и микроэлементов и стимуляторов биосинтетических процессов. Так при отсутствии в среде биотина снижается интенсивность процесса образования оксалоацетата, в результате чего замедляется работа цикла и уменьшается потребность в дыхательных ферментах, а, следовательно, снижается потребность в развитых мембранных структурах, на которых они локализуются. Поэтому снижается скорость деления митохондрий и уменьшается содержание в них крист.

Эндоплазматическая сеть (ЭПC) или эндоплазматический ретикулум (ЭПР) – это система канальцев, цистерн и пузырьков, которые пронизывают всю протоплазму клетки и соединены друг с другом и другими органеллами, в частности с ядром и рибосомами (рис. 3.5). От степени разветвленности этой сети зависит активность многих метаболических процессов, в частности синтез белков, жиров и углеводов. ЭПР больше развита у аэробных дрожжей, чем анаэробных, а также у молодых клеток больше, чем у старых.

Рисунок 3.5 – Связь ЭПР с другими органеллами клеток

ЭПР представляет собой трехслойную липопротеидную мембрану, на которой находятся многочисленные ферменты (рис.3.6). ЭПР обеспечивает синтез и передвижение различных метаболитов в клетке и играет роль временных хранилищ, выработанных продуктов. Например, белки, синтезированные в рибосомах, проходят в каналы ЭПР и по ним переносятся в те участки клетки, для которых они предназначены. Во время перемещения белок может фосфорилироваться или превращаться в гликопротеид.

Таким образом основными функциями ЭР является

– синтез белка;

– модификация белков;

– синтез липидов.

Рисунок 3.6 –. Схематичное изображение липопротеидной мембраны (1 и 2), пронизанной белками (3)

Эндоплазматический ретикулум у дрожжей делится на шероховатый и гладкий. В первом случае на поверхности мембраны, обращенной к цитоплазме, находятся рибосомы, на которых идет синтез белка. Гладкий ретикулум (ГР) является производным от шероховатого. Он участвует в синтезе липидов, необходимый для формирования всех клеточных мембран, а также углеводов. Кроме того ГР связывает шероховатый ретикулум с аппаратом Гольджи.

Морфология ЭПР зависит от условий культивирования, фазы роста дрожжей и физиологического состояния клеток. Клетки, интенсивно растущие имеют хорошо развитый ретикулум, поэтому его можно обнаружить только с помощью электронного микроскопа. Однако по мере снижения метаболической активности дрожжей происходит уменьшение поверхности мембран их разветвленности, в результате появляются вакуоли. Таким образом наблюдается взаимосвязь между структурой ЭПР и физиологическим состоянием дрожжей.

Процесс возникновения вакуолей представляется следующим образом: канальцы и микроцистерны ЭП ретикулума утолщаются, соединяются друг с другом, образуя более крупные полости (пузырчатая вакуоль), которые постепенно становятся все крупнее (Фото 3.7).

Рисунок 3.7 – Фотографии дрожжей, содержащих вакуоли различного размера (увеличение 900 Х). Темные гранулы, локализованные на поверхности вакуолей это жировые включения.

Представление о том, что вакуоли являются производными других мембранных систем клетки, подтверждается тем фактом, что они образуются в клетках с возрастом. При внесении дрожжей в свежую питательную среду эти вакуоли исчезают, а содержащиеся в них вещества используются в биосинтетических процессах. В виду активизации обмена веществ в клетках вновь возникает необходимость в хорошо развитой ЭП сети, необходимой для синтеза и транспорта новых компонентов к различным органоидам клетки. Поэтому уже в конце лаг-фазы роста популяции эта сеть развита и имеет значительную протяженность. Контролирует синтез новых мембран ядро. В фазе замедления роста вновь происходят морфологические изменения ЭПР и в стационарной фазе уже можно наблюдать появление вакуоли.

Роль вакуоли, во-первых, заключается в поддержании внутриклеточного давления. Осмотическая регуляция в клетке существует постоянно, только в молодом возрасте ее осуществляет эндоплазматическая сеть и аппарат Гольджи, а в зрелом - вакуоль.

В вакуоле скапливаются низкомолекулярные продукты гидролиза, например свободные аминокислоты, липиды, волютин, минеральные вещества

Аппарат Гольджи. Значительная часть гладких мембран, отделена от ЭПР и организована в самостоятельные структурные образования, которые называются комплексом Гольджи, состоящему из системы пузырьков и дисков, соединенных друг с другом ЭПС (см. рис.3.10).

Основными функциями аппарата Гольджи являются модификация, накопление, сортировка и направление различных веществ в соответствующие внутриклеточные компартменты (отделения), а также за пределы клетки.

Аппарат Гольджи принимает участие в построении клеточной мембраны, в формировании лизосом, вакуолей и хитосом, имеет непосредственное отношение к секреции белков и полисахаридов., Он выполняет функции транспорта секретируемых веществ в другие участки клетки и к ее поверхности.

Лизосомы - органеллы, окруженные однослойной мембраны, выполняющие «пищеварительные» функции. Они являются производными ЭПР и аппарата Гольджи. Различают первичные и вторичные лизосомы. В первичных лизосомах, локализованных в цитоплазме, ферменты находятся в неактивной форме. Их активность проявляется только тогда, когда они внедряются в вакуоль, образуя вторичную вакуоль.

Хитосомы грибов содержат фермент хитинсинтазу, которая катализирует синтез микрофибрилл хитина. Хитосомы переносят микрофибриллы к клеточной стенке, где происходит биосинтез рубцов.

Пероксисомы – органеллы, в которых аккумулированы окислительно-восстановительные ферменты, например каталаза, которая восстанавливает пероксид водорода до воды. Эти структуры имеют функционально-морфологическую связь с митохондриями, т.к. ферменты, содержащиеся в М и пероксисомах дополняют друг друга в метаболизме дрожжей. Прослежена связь этих оргенелл также с ЭПР, аппаратом Гольджи, ядром и др.