ФУНКЦІОНАЛЬНА МОРФОЛОГІЯ КЛІТИНИ

Застосування методів сучасної клітинної та молекулярної біології привело до низки революційних зрушень у тлумаченнях структури та функціонування клітини, як і у вивченні ембріонального та постембріонального розвитку на клітинному рівні. Хоча постембріональний розвиток, а також деталі біології клітин є поза межами нашого дослідження, базові знання клітинної біології потрібні для розуміння систем органів тіла і того, як вони функціонують. Спеціалізація клітин різних органів надзвичайно різноманітна, жодну клітину не можна назвати типовою для цілого організму. Та все ж деякі спеціалізовані частини (органели) спільні для більшості клітин. Ці частини показано на рис. 1 -4. Багато з них можна відокремити ультрацентрифугуванням у поєднанні з іншими технологіями. Після гомогенізації клітин та ультрацентрифугування отриманої суспензії спочатку осідають ядра, а згодом — міто-хондрії. Швидкісне центрифугування, що збільшує силу тяжіння в 100 000 разів і більше, спричиняє виділення фракції, яка складається з гранул, відомих як мікросоми, та їхнє осідання. До цієї фракції належать такі органели, як рибосоми та пероксисоми.

                                                                                                                                                                  

Клітинна мембрана

Мембрана, що оточує клітину, є надзвичайною структурою. Вона складається з ліпідів та білків і є напівпроникною, тобто одні речовини вона пропускає через себе, а

8 / РОЗДІЛ 1

Рис. 1-4. На схемі в центрі зображено гіпотетичну клітину, вигляд через світловий мікроскоп. Навколо неї розташовано різноманітні органели (за Bloom and Fawcett. Відтворено за дозволом з Junqueira LC, Carneiro J, Kelley RO: Basic Histology. 9th ed. McGraw-Hill, 1998).

Рис. 1-5. Біологічна мембрана. Кожна фосфоліпідна молекула має два ланцюги жирної кислоти (хвилясті лінії»), прикріплені до фосфатної головки (куляста структура). Білки зображено у вигляді затемнених утворів неправильної форми. Багато з них — інтегральні білки, що проходять через мембрану, тоді як периферійні білки прикріплені до внутрішньої (не зображено) та зовнішньої поверхні мембрани, інколи за допомогою глікозилфосфатидилінозитольних (ГФТ) якорів (ліворуч).

інші — ні. Щоправда, перепускна здатність мембрани може змінюватися, оскільки в ній містяться численні регульовані йонні канали та інші транспортні білки, що здатні змінювати об’єм речовин, які рухаються через мембрану. Таку мембрану звичайно називають плазматичною мембраною. Ядро клітини оточене мембраною подібного типу, органели також оточені або складаються з неї.

Незважаючи на те, що хімічний склад та властивості мембран значно залежать від їхнього розташування, можна виділити деякі спільні ознаки. Зокрема, товщина мембрани в середньому становить 7,5 нм (75 одиниць Ангстрема). Складаються біомембрани з білків та ліпідів. Хімія білків та ліпідів описана в Розділі 17. Головними ліпідами є фосфоліпіди, такі як фосфатидилхолін та фосфатидилета-ноламін. Фосфоліпідна молекула подібна за формою на прищіпку до білизни (рис. 1-5). Верхній її кінець містить фосфатну ділянку і є порівняно розчинним у воді (полярний, гідрофільний). Хвостові кінці порівняно нерозчинні (неполярні, гідрофобні). Гідрофільні кінці молекул біомембрани перебувають у водному середовищі, яке омиває клітини ззовні і з боку водянистої цитоплазми; гідрофобні кінці сходяться у безводному внутрішньому середовищі мембрани. У прокаріот (клітинах, що не мають ядра, таких як бактерії) мембрани є досить простими, натомість в

ЗАГАЛЬНІ ЗАСАДИ ТА КЛІТИННІ ОСНОВИ ФІЗІОЛОГІЇ ЛЮДИНИ / 9

Ліпідна мембрана Л/-Міристил

Цитоплазматична, або зовнішня, поверхня мембрани

Геранілгераніл

ХХ^чХ \Х^ч

Фарнезил

ГФЛ-якірець

_/S-Cys—

Білок —NH2

0

/ S-Cys—

Білок —NH2

/S-Cys—

Білок —NH2

0

II

—с —сн2

І

1

0

1

0

0

II 1

II

II

0 С—0

1

—Р—0 — 1 нозитол—0

і

-с—

1 і,

І

0

Гідрофобний домен ■

Гідрофільний домен

Білок

Рис. 1-6. Зчеплення білка з мембранними ліпідами. Деякі зчіплюються за допомогою своїх амінокінців, інші — кінцевих карбоксильних груп, а багато — за допомогою глікозильних форм фосфатидилінозиту (ГФЛ-якірців) (відтворено за дозволом з Fuller GM, Shields D: Molecular Basis of Medical Cell Biology. McGraw Hills, 1998).

еукаріот (клітинах, що мають ядро) вони містять різноманітні глікосфінголіпіди, сфінгомієліни та холестерин.

До складу мембрани належить багато різних білків. Вони існують як окремі одиниці, багато з них проникають через мембрану (інтегральні білки), інші (периферійні білки) скупчуються з її внутрішнього та зовнішнього боку (див. рис. 1-5). Кількість білків залежить від функції мембрани, однак у середньому вони становлять 50% від маси мембрани; приблизно одна молекула білка припадає на 50 значно менших фосфоліпідних молекул. Білки мембрани виконують багато різних функцій. Деякі з них є молекулами адгезії, що прикріплюють молекули до сусідніх клітин або до базальних мембран. Інші відіграють роль помпи, активно транспортуючи йони через мембрану. Ще інші функціонують як носії, транспортуючи під час дифузії речовини в напрямі зниження електрохімічних градієнтів, або ж є йонними каналами, які в активному стані перепускають йони через мембрану Роль помп, носіїв та інших каналів у транспортуванні через клітинну мембрану описана нижче.

Білки ще однієї групи діють як рецептори, що зв’язують нейротрансмітери та гормони, спричинюючи фізіологічні зміни всередині клітини. Білки також відіграють роль ензимів, що є каталізаторами реакцій на поверхнях мембрани. Окрім того, деякі глікопротеїни сприяють дозріванню антитіл і відрізняють клітини господаря від інших як “свої” та “чужі” (див. Розділ 27).

Гідрофобні частини білків, як звичайно, розташовані всередині мембрани, тоді як гідрофільні містяться на по

верхнях. Периферійні білки прикріплені до поверхні мембрани різними способами. Один з таких способів — прикріплення глікозильних форм фосфатидилінозиту. Білки, що утримують ці глікозилфосфатидилінозитні (ГФЛ) якірці (рис. 1 -6), містять такі ензими, як лужна фосфатаза, різноманітні антигени, низку молекул клітинної адгезії, а також три протеїни, що запобігають лізису клітин за допомогою комплементу (див. Розділ 27). Сьогодні описано понад 40 ГФЛ-зв’язаних білків поверхні клітини. Інші білки ліпідизовані, тобто мають спеціальні прикріплені до них ліпіди (див. рис. 1-6). Вони можуть бути міристильова-ними, пальмітильованими чи пренильованими, тобто прикріпленими до геранілгеранільних чи форнезильних груп.

Структура білків, особливо ензимів біологічних мембран, різна не лише в різних клітинах, а й навіть у межах однієї. Наприклад, у клітинних та мітохондріальних мембранах містяться різні ензими. У клітинах епітелію ензими клітинної мембрани слизової поверхні відрізняються від ензимів цієї мембрани на бокових поверхнях клітин; тобто клітини поляризовані. Мембрани мають динамічну структуру, і їхні складові постійно відновлюються на різних рівнях. Деякі білки прикріплені до цитоскелета, інші можуть зміщуватися у латеральних напрямах. Наприклад, рецептори рухаються в мембрані і скупчуються в ділянках ендо-цитозу (див. нижче).

До більшості клітинних мембран прилягає тонкий невизначеної структури шар, у якому містяться фібрили, що у сукупності формують базальну мембрану, або

10 /РОЗДІЛ 1

Простір усередині кристи

н+ н+

НАДН-ДГ

л

СДГ

Ьс,

НАДН Сукцинат Матриксовий простір

Н+ Н+

Рис. 1-7. Головні ензими внутрішньої мітохондріальної мембрани, що беруть участь в окисному фосфорилюванні; НАДН-ДГ — НАДН дегідрогеназа; СДГ — сукцинат дегідрогеназа; Ьс1 — цитохром; ЦОК — цитохром оксидаза (модифіковано з Saraste М: Oxidative phosphorylation at the fin de siecle. Science 1999:283:1488).

базальну пластину. Базальна мембрана (а якщо узагальнено, то міжклітинний матрикс) складається з багатьох білків, які утримують клітини разом, регулюють їхній розвиток і визначають ріст. До цих білків належать колагени, ламініни (див. нижче), фібронектин та протеоглікани.

Вільям Ф. Ґанонґ. Фізіологія людини