Функции клеток
В клетках постоянно осуществляется обмен веществ - метаболизм (от греческого metabole - изменение, преобразование), сочетающая в себе два совокупные процессы ассимиляции (биосинтеза сложных биологических молекул из простых) и диссимиляции (расщепление). При диссимиляции высвобождается энергия химических связей пищевых веществ. Эта энергия используется клеткой для выполнения различных функций, в частности и ассимиляции. Все биохимические реакции в клетках структурированы и осуществляются с участием высокоспецифичный биокатализаторов - ферментов. Ферменты делятся на 6 классов: оксидоредуктаз - катализируют окисления-вально-восстановительные реакции; трансферазы - переносят функциональные группы; гидролазы - обеспечивают реакции гидролиза; лиазы - объединяют группы двойными связями; изомеразы - превращают соединения в другую изомерных форму; лигазы - соединяют молекулярные группы в цепи.
Все процессы в клетках согласованы. Необходимые для жизнедеятельности клетки вещества поступают из внешней среды путем эндоцитоза (от греческого endo - внутри, kytos - клетка). Выведение веществ из клетки называется экзоцитоз (от греческого эхо - снаружи, kytos - клетка). Эти процессы, а также внутриклеточный транспорт веществ, происходят с участием биологических мембран (рис. 1).
Эндоцитоз. Есть несколько способов эндоцитоза. Более сложными способами эндоцитоза является пиноцитоза (от греческого РИПО - пить) и фагоцитоз (от греческого phagein - пожирать). Путем пиноцитоза клетка захватывает жидкие коллоидные частицы, при фагоцитозе клетка захватывает твердые частицы (крупные молекулы, микробы, другие клетки). Механизм пиноцитоза и фагоцитоза разный.
Пиноцитоза. Для поступления молекулы в клетку извне, они должны сначала установить соединение с рецепторами гликокаликса, тогда плазмолема вместе с присоединенной веществом втягивается в клетку, ее края приближаются и соединяются и мембранный пузырек с захваченной веществом отделяется от цитолемы. Такие пузырьки называются отороченными. Окаймленные пузырьки беспрепятственно транспортируются в клетке именно до тех участков цитоплазмы, где эти вещества будут использоваться. Если вещества транспортируются через клетку из одной среды в другой без изменений, то этот процесс называется трансцитозом. Путем трансцитозу могут переноситься и белковые молекулы, в частности иммуноглобулины.
Фагоцитоз. Крупные частицы, фагоцитируются, также сначала должны распознаваться рецепторами плазмолемы. Отростки клеточной мембраны обволакивают это вещество, и такой мешочек втягивается внутрь клетки, а затем отделяется. Этот мембранный михурець называется фагосомою. Фагосома сливается с лизосомами, и образуется комплекс - гетеролизосома (гетеросома). Вещество, попавшая в клетку путем фагоцитоза, расщепляется ферментами на химические составляющие.
К фагоцитоза способны почти все клетки, но в основном фагоцитам в организме человека является нейтрофильные лейкоциты и макрофаги.
Экзоцитоз. Существует несколько механизмов выведения веществ из клетки. Это может быть пассивный транспорт (по градиенту концентрации веществ) или активный (против градиента концентрации веществ). Таким путем выводятся из клетки ионы и малые молекулы. Крупномолекулярных соединения выводятся из клетки в транспортных мембранных пузырьках с участием микротрубочек. Эти пузырьки приближаются к клеточной поверхности, мембрана пузырька сливается с плазмолемою, а его содержание выделяется за пределы клетки.
Слияние пузырька с плазмолемою может происходить без дополнительных сигналов. Такой экзоцитоз называют конститутивным. Так выводится из клетки большинство продуктов ее метаболизма Для выведения из клетки синтезированных специальных соединений - секретов, используемых в других частях организма, необходимые сигналы извне. Такой экзоцитоз называют регулируемым. Сигнальные молекулы, способствующие выведению секретов, называются либеринамы (рилизинг-факторами), а те, которые прекращают их вывода - статинами. Процессы экзоцитоза, пиноцитоза и фагоцитоза в клетке согласованы.
Внутриклеточный синтез. Регуляция внутриклеточного синтеза осуществляется ядром клетки. На активных участках хромосом синтезируются молекулы РНК и транспортируются через поровые комплексы в цитоплазму. В рибосомах из аминокислот синтезируются белки. Эти белки делятся на 3 группы. Первая группа - это структурные белки, которые используются клеткой для построения собственных органелл, второй - белки, выводимых за пределы клетки, это ее секреты, третья группа - ферменты, обеспечивающие все внутриклеточные биохимические преобразования как катализаторы. Часть ферментов остается для "работы" в цитоплазме. Другие ферменты транспортируются в ядро и там регулируют считывание генетической информации с ДНК и матричный синтез РНК. В ядро поступают также белки, необходимые для построения хромосом.
Вещества, синтезируются на мембранах эндоплазматической сети, поступают в транспортные пузырьки и доставляются в комплекс Гольджи. В нем протекают заключительные этапы синтеза.
Синтез белка (трансляция) связан с процессом транскрипции - переписывания информации, хранящейся в ДНК. Благодаря ядерной оболочке в клетках процессы транскрипции и трансляции проходят в разных структурах и разделены во времени.
Транскрипция осуществляется в ядре. Информация о структуре белка с ДНК "переписывается" на информационную РНК (иРНК). При этом с одного гена может "переписываться" множество молекул иРНК, транспортируемых из ядра в цитоплазму, где и выполняют свои функции.
В клетках есть три типа РНК. Информационная РНК (иРНК) передает информацию о последовательности нуклеотидов от ДНК к рибосом. Рибосомные РНК (рРНК) образует рибосомы. Транспортные РНК (тРНК) присоединяют к себе молекулу аминокислоты и транспортируют ее к рибосомы в соответствующий триплета. Рибосомные и транспортная РНК синтезируются на идентичных генах. Синтез белка осуществляют рибосомы. Перемещаясь по иРНК, рибосома последовательно присоединяет соответствующие аминокислоты, образуя из них цепочку, а молекулы тРНК отделяются, чтобы вскоре снова присоединить к себе новую аминокислоту и передать ее рибосоме.
Для поддержания жизненного равновесия клетка должна получать сигналы от других клеток, даже от клеток другого вида. Поэтому сигнальную функцию выполняют специфические молекулы олигопептидов. Поскольку они поддерживают жизнь клеток, их назвали цитокинами. Известно несколько десятков цитокинов, действие которых разнообразна.
Рис. 1. Изменения клеточной оболочки (слипание и объединение мембран) при трех процессах (по Б. Алберто и др., с изменениями):
А - при экзоцитоз; Б - при эндоцитоза; В - при мерокринному типе секреции - почкованием (стрелками показаны последовательность этих процессов).