и участвуют в транспортных системах с высоким сродством; индуцированные субстратом конформационные изменения имеют существенное значение в транслокационной стадии всего процесса переноса через мембрану.

11.3.3. Субклеточные органеллы и внутриклеточные мембраны

Разнообразные химические механизмы, которые лежат в основе клеточных функций, не рассеяны беспорядочно в ядре и цито-

380

III. МЕТАБОЛИЗМ

плазме (цитозоле) клеток, а специфически локализованы, как этс* показано на рис. 11.4. Рисунок также свидетельствует о том, что внутриклеточная организация может проявляться в нескольких формах: в виде субклеточных органелл (с очерченными мембраной границами), нитевидных структур (филаментов), каналов или трубочек (вдоль которых могут двигаться метаболиты), а также в виде маленьких, но дискретных телец или частиц. Более того, несмотря на то что вода составляет ~70—80% массы основных структурных компонентов организма млекопитающего, многие молекулы, участвующие в клеточных процессах, тесно связаны с другими компонентами клетки, в том числе с липидами, что может оказывать заметное влияние на скорости процессов в клетке. Благодаря такой внутриклеточной организации структурных и химических единиц создается возможность для сопряжения между собой повторяющихся последовательностей и циклов реакций, вследствие-чего может достигаться усиление клеточных функций и их последовательное включение (гл. 15), несмотря на участие ограниченного числа реагирующих веществ. Это было бы невозможно при беспорядочном распределении в клетке не связанных друг с другом» веществ и катализаторов, участвующих в реакциях.

11.3.3.1. Ядро

Самая крупная структура клетки — ядро, видимое под световым микроскопом без специального окрашивания, так как его плотность и светопреломление отличаются от окружающей цитоплазмы. Внутри ядра находятся гранулы хроматина, плотные скопления ДНК-протеида и в меньших количествах РНК-протеида. Ядро-обычно содержит обособленное тело — ядрышко, богатое РНК. С помощью электронной микроскопии в ядре обнаружены две мембраны. Внутреннюю можно рассматривать как настоящую ядерную мембрану; межмембранное пространство представляет собой продолжение каналов эндоплазматической сети.

11.3.3.2. Митохондрии

Цитоплазма содержит органеллы и частицы различного размера. Самыми большими и плотными из них являются митохондрии, которые под электронным микроскопом выглядят как мельчайшие сферы, палочки или нити, окруженные двойной мембраной. В митохондриях сконцентрирован ряд составляющих единое целое ферментных систем, например системы окисления и дыхания (гл. 12). Структура и функция митохондрий рассмотрены в следующей главе.

П. ОБЩИЕ АСПЕКТЫ МЕТАБОЛИЗМА

381

11.3.3.3. Эндоплазматическая сеть

Многие типы клеток имеют систему ограниченных мембраной" каналов — эндоплазматическую сеть, которая может простираться от ядерной мембраны по всей цитоплазме. Мембраны, которые состоят в основном из липопротеидов, отделяют внутренний отсек (цистерну) от внешнего отсека (цитозоля). Конфигурация эндо-плазматической сети очень неустойчива, в основном она трубчатая или везикулярная. Различают два связанных между собой типа эидоплазматической сети в зависимости от количества прикрепленных к ее мембранам частиц рибонуклеопротеида — рибосом (гл. 2G). На поверхности гладкой эидоплазматической сети нет рибосом, поверхность шероховатой эидоплазматической сети усеяна ими. Эндоплазматическая сеть функционирует в ряде важных процессов, например в синтезе стероидов (гл. 18), образовании перок-сисом. Эндоплазматическая сеть также выступает как предшественник других мембранных систем. Рибосомы, прикрепленные к эидоплазматической сети, участвуют в синтезе белка (гл. 26). В процессе гомогенизации клетки эндоплазматическая сеть разрушается с образованием пузырьков — микросом, которые можно-выделить посредством осаждения центрифугированием. Они являются артефактами этого препаративного метода.

11.3.3.4. Аппарат Гольджи

Связь аппарата Гольджи с секреторными процессами обнаружена с помощью электронной микроскопии и авторадиографии в сочетании с методом фракционирования клетки. Эта органелла играет важную роль в секреции белков и полисахаридов. Белки, синтезированные на рибосомах механизмами, которые обсуждаются в гл. 26, затем транспортируются к аппарату Гольджи, где специфические гликозилтрансферазы катализируют перенос углеводных остатков к полипептндным цепям с последующим образованием глнкопротеидов. Наряду с этим специфические участки полипептидных цепей могут быть отделены от более крупных молекул белков-предшественников для образования активных секреторных продуктов, таких, как гормоны (гл. 41).

11.3.3.5. Лпзосомы

Лизосомы представляют собой цитоплазматические тельца диаметром от 0,5 до 2—3 мкм, окруженные одной мембраной и присутствующие, за редким исключением (эритроциты млекопитающих), ?? всех животных клетках. Лизосомы содержат различные кислые гидролазы. Одна из них, кислая фосфатаза, удобный маркер при идентификации лизосом гистохимическими и цитохимическими методами и при определениях активности ферментов.

Приблизительно три дюжины гидролаз обнаружено в лпзосо-мах, включая протеазы, нуклеазы, гликозидазы, арилсульфатазы,

382

III. МЕТАБОЛИЗМ

липазы, фосфолипазы и фосфатазы. Способность лизосомных ферментов совместно гидролизовать все классы макромолекул послужила основанием для вывода о том, что эти органеллы представляют собой место внутриклеточного переваривания, которое сопровождает пиноцитоз и фагоцитоз. Лизосомы макрофагов играют решающую роль в защитных механизмах млекопитающих. Фагоцитоз захваченных бактерий приводит к быстрому разрушению этих организмов лизосомными гидролазами. Лизосомы также участвуют в посмертном автолизе, наступающем вслед за разрушением лизосомной мембраны и освобождением ферментов.

11.3.3.6. Перо сисомы

Пероксисомы — обособленная группа часто встречающихся в клетках животных и растений органелл, содержащих ферменты, многие из которых участвуют в метаболизме Н202. Уратоксидаза, оксидаза ?-аминокислот и оксидаза а-оксикислот печени образуют Н202, в то время как каталаза, составляющая ~40% общего количества пероксисомного белка в печени крысы, разрушает Н202.

11.3.3.7. Микротрубочки

Микротрубочки — элементы цитоплазмы, участвующие в создании морфологии клетки, в движении цитоплазмы, во внутриклеточном транспорте и в явлениях сократимости цитоплазмы. Установлена роль микротрубочек в поддержании формы клетки или в осуществлении контроля над ней (цитоскелетная функция), в процессах внутриклеточного движения, например в расхождении хромосом при участии клеточного веретена; микротрубочки выполняют функцию каналов, проводящих направленные потоки. Функции микротрубочек в нервных аксонах рассмотрены в гл. 37.

Микротрубочки — это тонкие цилиндры, имеющие ~20—30 нм в диаметре и толщину стенок 4,5—7,0 нм. Они построены нз глобулярного глнкопротеида — тубулина, молекула которого состоит из двух субъединиц (мол. масса 50 000—60 000), обозначаемых как «- и ?-субъединицы. Молекулы тубулина, уложенные в форме спирали, образуют продольные параллельные протофиламенты, которые составляют стенку цилиндра; диаметр этого цилиндра зависит от числа молекул тубулина. Число протофиламентов в микротрубочке, а следовательно, и число молекул тубулина по стенке цилиндра микротрубочки обычно составляют 13, но у разных организмов могут варьировать от 10 до 14. На рис. 11.10 показано расположение субъединиц тубулина и 13 протофиламентов в микротрубочке.

В уплощенных в результате фиксации образцах соседствующие субъединнцы смежных протофиламентов расположены на линии, отклоняющейся на ~ 10° от перпендикуляра к оси протофиламен-

п.

ОБЩИЕ АСПЕКТЫ МЕТАБОЛИЗМА

383

1 2 3 4 С 7 G 10 ? 12 13 1

Рис. 11.10. ? — схематическое изображение поперечного среза цитоплазматических микротрубочек, демонстрирующее расположение 13 протофиламентов. б — изображение поверхностной решетки цитоплазматической микротрубочкн, показывающее возможное расположение гетеродимеров. Заштрихованные и светлые эллипсоиды—а- и ?-субъединицы. Мономеры чередуются вдоль трехзаходовой спирали и внутри протофиламента. в — в развернутой трубочке показана спиральная сетка. Цифры (прямые) — нумерация протофиламентов. Каждый эллипсоид обозначает мономер, заштрихованные и светлые эллипсоиды соответственно изображают а- и fj-субъединицы. Субъединицы чередуются вдоль трехзаходовой спирали, и ось ?,?-димера параллельна оси протофиламента. Стрелка 3 показывает угол трехзаходовой спирали, стрелка 13 — угол 13-витковой спирали. ?,?-Димеры можно рассматривать как пятивитковую, закрученную вправо спираль (стрелка 5) или как восьмивитковую закрученную влево спираль (стрелка 8). [Snyder J. ?., McYntosh J. R., Annu. Rev. Biochem., 45, 706, 1976.]

та. Для образования 13-витковой спирали нужно допустить существование трехзаходовой спирали (рис. 11.10). Если а- и ?-субъединицы чередуются внутри протофиламента, то симметрия 13-го порядка трубочек требует, чтобы они чередовались также в направлении трехзаходовой спирали.

Микротрубочки постоянно формируются и разрушаются, что особенно поразительно для тканей мозга. Формирование микротру-

384

III. МЕТАБОЛИЗМ

бочек из тубулина представляет собой по существу пример самосборки, так как она инициируется активацией белка посредством GTP, который обнаруживается в изолированном тубулине; GTP связан с каждой нз субъедиииц. Процесс самосборки затем продолжается путем как латерального, так и продольного взаимодействия и сборки молекул тубулина. Присоединение каждой субъединицы тубулина сопровождается гидролизом GTP (в присутствии Mg2+) с образованием связанного GDP и освобождением Р,-. Колхицин — вещество, блокирующее образование микротрубочек, связывается с тубулниом, вытесняя нуклеотид, и таким образом предотвращает полимеризацию. Эта функция GTP в полимеризации тубулина, очевидно, аналогична роли АТР в полимеризации актина (гл.36). Однако сборка тубулина без добавления GTP может происходить в присутстви