Когда ученый воткнул розовое жало в прозрачное тело личинки, он обнаружил, что жало окружено и заселено крупными клетками амебы. А если инородное тело было маленьким, то эти бродячие клетки, которые Мечников назвал фагоки ттара (от греч. καταβροχθίζω), могли проглотить инородное тело целиком.
Лекция № 6. Эукариотическая клетка: цитоплазма, клеточная оболочка, строение и функции клеточных мембран
Цитоплазма — это обязательная часть клетки, заключенная между плазматической мембраной и ядром; она делится на стекловидное (основное вещество цитоплазмы), органоиды (постоянные компоненты цитоплазмы) и включения (временные компоненты цитоплазмы). Химический состав цитоплазмы: Основу составляет вода (60-90% от общей массы цитоплазмы), различные органические и неорганические соединения. Цитоплазма реагирует щелочно. Характерной особенностью цитоплазмы эукариотических клеток является постоянное движение (цикличность). Об этом свидетельствует, прежде всего, перемещение органоидов клетки, например, хлоропластов. Если цитоплазма перестает двигаться, клетка умирает, потому что она может выполнять свои функции только в постоянном движении.
Гиалоплазма (цитозоль) представляет собой бесцветный, слизистый, густой и прозрачный коллоидный раствор. В нем происходят все метаболические процессы, он обеспечивает связь между клеточным ядром и всеми органоидами. В зависимости от того, преобладает ли в гиалоплазме жидкая часть или крупные молекулы, различают две формы гиалоплазмы: золь — достаточно жидкая гиалоплазма и гель — достаточно вязкая гиалоплазма. Возможны преобразования между ними: гель преобразуется в золь и наоборот.
Цитоплазматические функции:
- объединение всех компонентов клетки в единую систему,
- среда для прохождения многих биохимических и физиологических процессов,
- среда для существования и функционирования органоидов.
Клеточные оболочки
Клеточные мембраны разграничивают эукариотические клетки. В каждой клеточной мембране различают по меньшей мере два слоя. Внутренний слой граничит с цитоплазмой и представлен плазматической мембраной (синонимы: плазматическая мембрана, клеточная мембрана, цитоплазматическая мембрана), над которой формируется наружный слой. В животной клетке он тонкий и называется гликокаликс (состоит из гликопротеинов, гликолипидов, липопротеинов), а в растительной клетке он толстый и называется клеточной стенкой (состоит из целлюлозы).
Все биологические мембраны имеют общие структурные особенности и свойства. В настоящее время общепризнанной является модель структуры мембраны «жидкая меза». Мембрана состоит из липидного бислоя, сформированного в основном из фосфолипидов. Фосфолипиды — это триглицериды, в которых остаток жирной кислоты заменен на остаток фосфата; часть молекулы, содержащая остаток фосфата, называется гидрофильной головкой, а участки, содержащие остатки жирных кислот, — гидрофобными хвостами. В мембране фосфолипиды расположены строго упорядоченно: Гидрофобные хвосты молекул направлены друг к другу, а ги
Структура мембраны: A — гидрофильная фосфолипидная головка; B — гидрофобные фосфолипидные хвосты; 1 — гидрофобные участки белков E и F; 2 — гидрофильные участки белка F; 3 — разветвленная цепь олигосахаридов, присоединенная к липиду в молекуле гликолипида (гликолипиды встречаются реже, чем гликопротеины); 4 — разветвленная цепь олигосахаридов, присоединенная к белку в молекуле гликопротеина; 5 — гидрофильный канал (действует как пора, через которую могут проходить ионы и некоторые полярные молекулы).
Мембрана может содержать углеводы (до 10%), причем углеводный компонент мембран состоит из олигосахаридных или полисахаридных цепей, присоединенных к молекулам белка (гликопротеины) или молекулам липидов (гликолипиды). Углеводы в основном расположены на внешней поверхности мембраны. Углеводы выполняют функции мембранных рецепторов. В животных клетках гликопротеины образуют трансмембранный комплекс — гликокапсулу — толщиной в несколько десятков нанометров. Многие клеточные рецепторы расположены на гликопротеинах, и с их помощью облегчается адгезия клеток.
Белковые, углеводные и липидные молекулы подвижны и могут перемещаться в плоскости мембраны. Толщина плазматической мембраны составляет около 7,5 нм.
Мембраны выполняют такие функции:
Функции мембран
Наиболее важным свойством мембран является избирательная проницаемость, т.е. мембраны хорошо проницаемы для определенных веществ или молекул и плохо проницаемы (или не проницаемы вообще) для других. На этом основана регуляторная функция мембран, обеспечивающая обмен веществами между клеткой и окружающей средой. Процесс, при котором вещества проходят через клеточную мембрану, называется массопереносом. Различают: 1) пассивный транспорт — процесс переноса вещества, происходящий без затрат энергии; 2) активный транспорт — процесс переноса вещества, происходящий с затратами энергии.
- отделение клеточного содержимого от внешней среды,
- регуляция обмена веществ между клеткой и средой,
- деление клетки на компартаменты («отсеки»),
- место локализации «ферментативных конвейеров»,
- обеспечение связи между клетками в тканях многоклеточных организмов (адгезия),
- распознавание сигналов.
При пассивном переносе вещества перемещаются из областей с более высокой концентрацией в области с более низкой концентрацией, т.е. вдоль градиента концентрации. В каждом растворе есть молекулы растворителя и молекулы растворенного вещества. Процесс движения молекул растворенного вещества называется диффузией, движение молекул растворителя — осмосом. Если молекула заряжена, на ее перенос также влияет электрический градиент. Поэтому часто говорят об электрохимическом градиенте, который объединяет оба градиента. Скорость транспортировки зависит от величины уклона.
Различают следующие виды пассивного транспорта: 1) простая диффузия — транспорт веществ непосредственно через липидный бислой (кислород, углекислый газ); 2) диффузия через мембранные каналы — транспорт через каналообразующие белки (Na +, K +, Ca 2+, Cl — ); 3) облегченная диффузия — транспорт веществ через специфические каналы (Na +, K +, Ca 2+, Cl — ); 4) диффузия через мембранные каналы — транспорт через специфические каналы (Na +, K +, Ca 2+, Cl — ).
Функция Na+ /K+ насоса: Для нормального функционирования клетка должна поддерживать определенное соотношение ионов K+ и Na+ в цитоплазме и во внешней среде. Концентрация K+ внутри клетки должна быть значительно выше, чем вне ее, а концентрация Na+ — наоборот. Следует отметить, что Na+ и K+ могут свободно диффундировать через поры мембраны. Насос Na+/K+ сопротивляется уравниванию концентраций этих ионов и активно выкачивает Na+ из клетки, а K+ — в клетку. Na+/K+ насос — это трансмембранный белок, способный к конформационным изменениям, благодаря чему он может связывать как K+, так и Na+. Цикл Na+ /K+ насоса можно разделить на следующие фазы: 1) связывание Na+ с внутренней стороной мембраны, 2) фосфорилирование белка насоса, 3) высвобождение Na+ во внеклеточное пространство, 4) связывание K+ с внешней стороной мембраны, 5) дефосфорилирование белка насоса, 6) высвобождение K+ во внутриклеточное пространство. Натриево-калиевый насос потребляет почти одну треть энергии, необходимой для жизнедеятельности клетки. Во время цикла насос закачивает 3Na+ и вытягивает 2K+ из клетки.
Фагоциты защищают организм от бактерий, токсичных веществ и некоторых вирусов, могут вырабатывать различные биологически активные вещества, стимулировать воспалительные реакции, а также активировать другие факторы иммунной системы. По сути, фагоциты — это вторая линия защиты организма от проникновения в него патогенных микроорганизмов. Процесс, в ходе которого фагоцитирующие клетки поглощают вещества, опасные для человека, называется фагоцитозом.
Чтобы получить упрощенное представление о фагоцитозе, вспомните амебу — представителя простейших, с которыми большинство людей знакомы по учебным программам. Как и амеба, фагоцит имеет так называемые ложноножки, с помощью которых он окружает и всасывает свою жертву. Между амебой и фагоцитом были установлены филогенетические отношения.
Как «работают» фагоциты в человеческом организме
Когда патоген попадает в организм, рецепторы фагоцита улавливают выделяемые им химические вещества и нацеливаются на них. Когда мишень связывается с рецепторами фагоцитов, происходит фагоцитоз, и инородное тело разрушается под действием оксидантов или оксида азота, вырабатываемых фагоцитами. Остатки «съеденного» патогена попадают обратно на поверхность фагоцита и выводятся из организма.
Однако существуют патогены-вторженцы, которые не только уклоняются от распознавания иммунной системой, но и могут контролировать иммунные процессы. На ранних стадиях инфекции патогены взаимодействуют с факторами врожденного иммунитета, что является важным шагом для выживания патогена. Патогенные бактерии используют следующие механизмы, чтобы избежать распознавания рецепторами фагоцитов: Они покрывают
Мононуклеарные фагоциты или моноциты — самые крупные клетки среди белых кровяных телец. На внешней стороне плазматической мембраны моноцитов находятся многочисленные рецепторы, число которых увеличивается по мере созревания моноцита. К ним относятся рецепторы для различных веществ, связывающих JgG и иммунные комплексы; они обеспечивают способность мононуклеарных клеток фагоцитировать бактерии и различные клетки. Моноциты попадают в кровь из костного мозга, где они синтезируются. Эти клетки перемещаются относительно быстро и остаются в кровеносных сосудах всего на 24-48 часов, после чего переходят в другие ткани и превращаются в макрофаги.
Концентрация моноцитов в крови меняется с возрастом и регулируется балансом стимулирующих и ингибирующих факторов. Увеличение числа может быть признаком:
Виды фагоцитов
Недостаточное количество клеток этой группы может быть связано с врожденными или приобретенными иммунными нарушениями (например, СПИД, атрофия костного мозга).
Профессиональные фагоциты
Макрофаги также являются мононуклеарными клетками. Макрофаги в различных тканях имеют разные формы, размеры и биохимический состав. Однако общей чертой является наличие большого количества лизосом, митохондрий, вакуолей, эндоплазматических пузырьков и разнообразных гранул. Макрофаги и моноциты характеризуются однородной структурой, происхождением и функцией. На поверхности их мембраны находятся различные антигены, из которых общие антигены встречаются как у макрофагов (костный мозг, лимфатические узлы, селезенка), так и у моноцитов. Только макрофаги показывают антигены дифференцировки, когда они созревают. Антигены, которые перекрестно связываются с другими клетками, взаимодействуют с Т-лимфоцитами, эндотелиальными клетками и гранулоцитами. Функциональная активность мембраны определяется синтезом антигена, мембранным транспортом, наличием рецепторов, интенсивностью синтеза и самообновлением. Во время фагоцитоза и пиноцитоза происходит протеолитическое разрушение мембраны, целостность которой восстанавливается путем синтеза через 6 часов, обеспечивая восстановление функций макрофага.
Моноциты
Нейтрофилы, как и моноциты, относятся к группе лейкоцитов. В кровотоке нейтрофилы составляют 50-75% всех белых кровяных телец. Продолжительность жизни нейтрофила составляет около 5 дней. Их главная задача — предотвращение инфекций.
Фагоциты являются важным звеном иммунной системы. Анализ основных характеристик различных типов фагоцитов показывает, что их главная задача — защита от инфекций. Но это далеко не единственная их функция. Они «пожирают» (процесс фагоцитоза) твердые частицы, являющиеся патогенными в организме человека, очищают кровь, поддерживают здоровье внутренних органов и выполняют множество других полезных функций.
- бактериальной, вирусной или грибковой инфекции;
- лимфомы Ходжкина;
- язвенного колита;
- наличия опухоли;
- алкогольного повреждения печени;
- множественной миеломы;
- болезни Крона.
Чтобы понять
Макрофаги
Известно множество подтвержденных и предполагаемых факторов, вызывающих аномалии в организме человека, приводящие к неконтролируемому делению и росту клеток, которые могут быть как доброкачественными, так и злокачественными. Иммунная система играет важную роль в защите от опухолей: фагоциты немедленно ищут и уничтожают дегенерирующие клетки, чтобы предотвратить рак.
Нейтрофилы
Организм взрослого человека состоит примерно из 100 триллионов клеток, некоторые из которых живут всего несколько дней, а другие являются «долгожителями» и живут несколько лет. Каждый день около 70 миллиардов клеток погибают и удаляются макрофагами. Когда клетки умирают естественным образом, они выделяют определенные вещества, на которые реагируют фагоциты и уничтожают старые клетки. Этот процесс называется апоптозом.
Функции фагоцитов
Фагоцитарные агрегаты способны предотвращать заболевания, не связанные с инфекцией, опухолью или другими факторами, представляющими интерес для фагоцитов. При атеросклерозе, например, макрофаги участвуют в замедлении прогрессирования заболевания. Когда холестерин откладывается в эндотелии сосудов, макрофаги «съедают» частицы жира и образуют так называемые пенистые клетки. Однако пенистые клетки не способны полностью разрушить липопротеины, поэтому холестериновые бляшки продолжают образовываться на стенках кровеносных сосудов, хотя в некоторых случаях несколько медленнее.
1. Защита от чужеродных тел
Фагоцитарные клетки обладают способностью повышать активность других факторов иммунной системы. Кроме того, фагоциты выделяют специальные вещества, которые стимулируют костный мозг к производству клеток иммунной системы.
2. Защита от опухолей
Фагоциты также могут участвовать в формировании тканей при их повреждении путем образования рубцовых клеток (фибробластов). В результате на месте повреждения образуется «пятно» в виде рубца. Этот процесс происходит не только при внешних повреждениях кожи. Фибробласты необходимы для рубцевания язв в желудочно-кишечном тракте и для заживления сердечной мышцы в период после сердечного приступа.
3. Участие в процессе апоптоза
В гетерогенном сообществе макрофагов можно выделить три основные субпопуляции клеток на основе базовых характеристик, определяющих их основные функции: макрофаги М1, М2 и Мох, каждая из которых участвует в процессах воспаления, восстановления поврежденных тканей и защиты организма от окислительного стресса.
4. Защита от болезней
«Классический» макрофаг М1 образуется из клетки-предшественника (моноцита) в результате каскада внутриклеточных сигналов, которые активируются специфическими рецепторами на поверхности клетки после распознавания инфекционного агента.
5. Поддержка функций иммунной системы
Образование «съедобного» М1 происходит в результате сильной активации генома, которая сопровождается активацией синтеза более сотни белков — так называемых факторов воспаления. Поскольку
6. Способствуют восстановлению тканей
Но уже на ранних стадиях воспалительного процесса макрофаг М1 начинает активно выделять противовоспалительные вещества — низкомолекулярные липидные молекулы. Эти «вторичные» сигналы начинают активировать упомянутые выше липидные сенсоры в новых «новобранцах» — отдельных клетках, прибывающих к месту воспаления. Внутри клетки запускается цепь событий, в результате которых активирующий сигнал достигает специфических регуляторных участков ДНК, усиливая экспрессию генов, ответственных за гармонизацию метаболизма, и одновременно подавляя активность «провоспалительных» (т.е. вызывающих воспаление) генов (Душкин, 2012).
Клеточные метаморфозы
В результате альтернативной активации вырабатываются макрофаги М2, которые завершают воспалительный процесс и способствуют восстановлению тканей. Популяцию макрофагов М2 можно снова разделить на группы в соответствии с их специфичностью: Коллекторы мертвых клеток, клетки, участвующие в приобретенном иммунном ответе, и макрофаги, выделяющие факторы, способствующие замещению мертвых тканей соединительной тканью.
Другая группа макрофагов, макрофаги Мооса, вырабатываются в условиях так называемого окислительного стресса, когда существует повышенный риск повреждения тканей свободными радикалами. Например, Мох составляют около одной трети всех макрофагов в атеросклеротической бляшке. Эти иммунные клетки не только сами противостоят вредным веществам, но и участвуют в антиоксидантной защите организма (Gui et al., 2012).
Воспаление как типичный патологический процесс и фундаментальное участие в нем макрофагов является, так или иначе, важным компонентом инфекционных заболеваний, вызываемых в основном различными патологическими агентами, от простейших до бактерий и вирусов: хламидийные инфекции, туберкулез, лейшманиоз, трипаносомоз и др. Однако, как уже упоминалось, макрофаги играют важную, если не самую важную роль в развитии так называемых метаболических заболеваний: Атеросклероз (основная причина сердечно-сосудистых заболеваний), диабет, нейродегенеративные заболевания мозга (болезни Альцгеймера и Паркинсона, последствия инсультов и травм мозга), ревматоидный артрит, а также раковые заболевания.
Последние данные о роли липидных сенсоров в формировании различных фенотипов макрофагов позволили нам разработать стратегию контроля этих клеток при различных заболеваниях.
Например, было показано, что хламидии и водорослевые бациллы эволюционно научились использовать липидные сенсоры макрофагов для запуска незлокачественной альтернативной активации макрофагов (в М2). Таким образом, поглощенная макрофагами водорослевая палочка может купаться в липидных включениях, как сыр, и спокойно ждать освобождения
Другой пример — такие заболевания, как инфаркт миокарда, инсульт и гангрена нижних конечностей, наиболее опасные осложнения атеросклероза, к которым приводит разрыв так называемых нестабильных атеросклеротических бляшек, что сопровождается немедленным образованием тромба и закупоркой кровеносного сосуда.
Образованию таких нестабильных атеросклеротических бляшек способствует макрофаг/афроцит M1, который вырабатывает ферменты, растворяющие коллагеновое покрытие бляшки. В этом случае наиболее эффективной стратегией лечения является преобразование нестабильной бляшки в стабильную, богатую коллагеном бляшку, что требует преобразования «агрессивных» макрофагов M1 в «умиротворенные» макрофаги M2.
Экспериментальные данные показывают, что такого изменения в макрофаге можно достичь путем подавления выработки в нем провоспалительных факторов. Такими свойствами обладают некоторые синтетические активаторы липидных сенсоров, а также природные вещества, такие как куркумин, биофлавоноид, содержащийся в корне куркумы, известной индийской специи.
Фаза фагоцитоза объекта — это путь вторжения. Сначала фагоцит формирует полость, а затем фагосому — полость, в которой содержится объект, подлежащий фагоцитированию. NADH-зависимая оксидаза в мембране фагоцита активируется перед формированием фагосомы; она преобразует O2 в O 2
(супероксид-анион) и образуется H 2 O 2.
Эти продукты обладают бактерицидным действием, а также вызывают образование свободных радикалов. Под действием пероксидных газов и каталазы H 2 O 2 разлагается и высвобождается молекулярный O 2. Свободные радикалы и активная молекула O 2 действуют на мембрану фагоцита и объект фагоцитирования, вызывая перекисное окисление липидов.
Липопероксиды и свободные радикалы нестабильны на лизосомальных мембранах и способствуют высвобождению лизосомальных ферментов.
Лизосомы прикрепляются к фагосоме, которая содержит фагоцитирующий объект. Эти органеллы содержат все ферменты, необходимые для расщепления углеводов, белков, жиров и нуклеиновых кислот. В своей еще неактивной форме они попадают в фагоцитарную вакуоль.
Оседание
Пищеварительная вакуоль образуется при рН около 5,0, что близко к оптимуму для лизосомальных ферментов. Лизосомальные ферменты активируются, и фагоцитированный объект постепенно переваривается. Во время фазы переваривания проницаемость фагосомной мембраны увеличивается, содержимое фагосомы проскальзывает в цитоплазму и микрофаг погибает (этому процессу благоприятствует ацидоз). В этом случае фагоцитирующий микроорганизм также может оставаться жизнеспособным.~Макрофаги участвуют в фагоцитозе позже, чем микрофаги. Макрофаги также более устойчивы к гипоксии и ацидозу, например, моноциты более устойчивы даже при pH
Объекты, которые не могут быть переварены фагоцитами, остаются в этих клетках в течение длительного времени и покрываются тонкой пленкой аминополисахаридов. Когда фагоциты погибают, они подвергаются рефагоцитозу или выводятся из организма. Процесс, при котором фагоцит выпускает часть продуктов фагоцитоза в окружающую среду после переваривания, называется экструзией.
Фагоцитоз — не единственный механизм борьбы организма с воспалением. Большинство микроорганизмов погибает в результате подкисления, а также под воздействием ферментов, высвобождаемых при гибели клеток и работе иммунной системы.
Стадия пищеварения
Нейтрофилы во внеклеточном пространстве выделяют катионные белки, которые могут убивать без ферментов и фагоцитоза. Таким образом, места воспаления постепенно очищаются от микроорганизмов и мертвых клеток.
Роль макрофагов в воспалительном процессе
- Фагоцитируют бактериальные остатки, оставшиеся после эвакуации гноя и продуктов распада тканей – очищающая функция;
- Высвобождают лизосомальные ферменты – гиалуронидазу, аминопептидазу и др;
- Синтезируют компоненты системы комплемента и простагландины.
