! Как клетка использует захваченные из внешней среды питательные вещества. Молекулярные механизмы фагоцитоза. Полимеры и мономеры. ! Подробнее о полимерах, остатках мономеров и самих мономерах. Краткое введение в химию. Строение мембраны. Липиды. ! Подробнее о липидах. !Мембранное (пристеночное) пищеварение.
Любая живая клетка питается, т.е. захватывает из внешней среды съедобные для себя вещества (в виде отдельных молекул или больших групп молекул - пищевых частиц, иногда даже целых клеток меньшего размера), и так или иначе использует эти вещества.
Есть всего два
принципиально различных варианта.
Фагоцитоз ("фагос" - "пожиратель", "цитос" - "клетка") - питание клетки сравнительно большими пищевыми частицами (в том числе другими клетками). Общая картина фагоцитоза показана на рис. 12. Проплывающая мимо клетки пищевая частица касается мембраны и прилипает к ней (1,2). Мембрана под ней прогибается, охватывая частицу со всех сторон (3). В результате образуется мембранный пузырек с частицей внутри - пищеварительная вакуоль (4). Она отрывается от мембраны и уплывает вглубь цитоплазмы. Там она сливается с другим пузырьком (первичной лизосомой - от слов "лизис" - "растворение, расщепление" и "сома" - "тело"), отделившимся от комплекса Гольджи (5). Пузырек - результат этого слияния - называют вторичной лизосомой. После этого пищевая частица начинает растворяться. Минут через 20 внутри вторичной лизосомы виднеются только несколько маленьких бесформенных кусочков, почему-то "не захотевших" растворяться (6). Затем вторичная лизосома подплывает к мембране клетки и сливается с ней, выбрасывая из клетки наружу эти "кусочки" (7б). Другой вариант, гораздо более приемлемый для многоклеточных животных – вторичная лизосома выбрасывает непереваренные остатки в специальную вакуоль накопления на «вечное хранение» (7а).
? Как Вы полагаете, чем опасен для организма многоклеточного животного выброс непереваренных остатков в пространство между клетками?
Захват пищевой частицы (рис. 12: этапы 1-3)
Все эти удивительные превращения происходят благодаря деятельности специальных молекул. На рис. 13а показаны молекулы мембраны клетки (они называются рецепторами), обеспечивающие прилипание пищевой частицы к мембране и образование пищеварительной вакуоли. Рецепторы - это молекулы мембраны клетки, которые могут узнавать другие молекулы (лиганды), и прочно к ним прилипать. Коснувшаяся мембраны частица прилипает в том случае, если на ее поверхности имеются лиганды к каким-нибудь рецепторам, имеющимся на поверхности клетки (на мембране обычно имеется около 100 различных разновидностей рецепторов, и каждый из них "узнает" определенный лиганд).
Растворение частиц пищи во вторичной лизосоме (рис. 12: этапы 5-7)
Пусть в данном конкретном случае клетка захватила с помощью фагоцитоза другую клетку, только маленькую. Первичная лизосома принесла из комплекса Гольджи специальные молекулы (пищеварительные ферменты), умеющие "разрезать" большие молекулы (например, полимеры - см. ниже) на части. Из-за этого органоиды захваченной клетки "разваливаются" на отдельные мелкие молекулы (см. рис.13б). В мембране вторичной лизосомы имеются также белки-переносчики, которые умеют переносить эти мелкие молекулы через мембрану в цитоплазму клетки.
? Как Вы полагаете, откуда взялись в мембране лизосомы белки - переносчики?
Молекулы состоят из еще более мелких частиц - атомов. Полимеры ("поли"- "много", "мерос" - "часть") - это молекулы, состоящие из одинаковых или очень похожих друг на друга групп атомов (остатков мономеров: "моно" - "один"), соединенных между собой (см. рис. 13б и 14). Пищеварительные ферменты во вторичной лизосоме "разрезают" полимеры пойманной пищи на отдельные мономеры. Полимеры и их мономеры обычно имеют разные названия. Чтобы было легче запомнить эти названия, мы объединили в табл.1 сведения обо всех типах полимеров клетки.
Атомы в химии
принято обозначать латинскими буквами (например, атом водорода обозначается
латинской буквой H, атом кислорода - буквой O). Молекулы в
химии изображают формулами. В некоторых формулах (они называются графическими
формулами) связи атомов друг с другом (химические связи) рисуют в
виде палочек (см., например, рис. 14 и 15). В аналитических формулах
около значка каждого атома в виде индекса указывают количество таких
атомов в этой молекуле. На рис. 15 показаны аналитические и графические формулы
двух молекул - воды и перекиси водорода.
Обычно на одном
конце любого клеточного полимера к нему присоединен атом водорода, а на другом
конце - группа из двух соединенных друг с другом атомов - водорода и кислорода.
На рис. 14 показано, как пищеварительный фермент "разрезает" полимер.
Подобные химические реакции (в ходе которых к каким-либо молекулам
присоединяются разделенные на части молекулы воды) называют реакциями
гидролиза. Пищеварительные ферменты, производящие реакции гидролиза,
называют гидролазами.
Полимеры |
Мономеры |
Белки |
Аминокислоты (обычно их в клетке около 20 разных типов). |
Углеводы (полисахариды): |
Моносахариды: |
Нуклеиновые кислоты: |
Нуклеотиды: |
рибонуклеиновая кислота (РНК) |
нуклеотиды РНК (4 типа: А аденин, У урацил, Г гуанин, Ц цитозин) |
дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) |
нуклеотиды ДНК (4 типа: А, Т тимин, Г, Ц) |
Твердые предметы могут быть гидрофильными - смачивающимися водой
("филео" - "люблю") или гидрофобными - не
смачивающимися водой ("фобос" - "страх"). Определяется это
так: на пластинку, изготовленную из интересующего нас вещества, капаем
небольшую капельку воды. На гидрофобной поверхности капелька собирается в
шарик, на гидрофильной - растекается (рис. 15). Тонкая трубочка (капилляр) из
гидрофильного вещества втягивает в себя воду. Капилляр из гидрофобного вещества
вода как бы старается покинуть. Причина этих явлений в том, что молекулы воды
притягиваются, во-первых, друг к другу (это притяжение мешает капельке воды
мгновенно разлететься на молекулы), а во-вторых, к молекулам твердого тела.
Если первая сила больше второй, то капелька воды собирается в шарик,
"отлипая" от твердой поверхности (т.е. данная поверхность
гидрофобная). Если первая сила меньше второй, то капелька воды начинает
растекаться по твердой поверхности (т.е. данная поверхность - гидрофильная).
Мембрана клетки состоит из многих разных молекул. Большинство из них - молекулы липидов (рис. 16). Молекула липида состоит из гидрофильной "головки" и двух гидрофобных "хвостов". В воде "головки" разных липидных молекул слегка отталкиваются друг от друга, а "хвосты" слипаются друг с другом (вообще гидрофобные предметы в воде склонны слипаться друг с другом, при этом площадь соприкосновения с водой каждого из них уменьшается).
На рис. 17 а)
изображены молекулы глицерина, спирта инозитола, фосфорной
кислоты и двух разных жирных кислот. Если соединить их друг с другом
так, как показано на рис. 17б, получится липидная молекула, реально встречающаяся
в мембранах некоторых клеток (подобные реакции называют реакциями дегидратации,
то есть реакциями отделения воды). На рис. 18 показано еще несколько типов
липидных молекул, встречающихся в мембране.
? Как Вы думаете, почему гидрофобные предметы в воде слипаются друг с другом?
? Подумайте, в каком положении
будут находиться на поверхности воды одиночные липидные молекулы? А как будет
выглядеть на поверхности воды пленка из молекул липидов толщиной в две
молекулы?
В мембране, кроме липидов, имеется большое количество молекул белков (рис. 19). Одни из них погружены в двойной слой липидов (как вы думаете, какие участки их поверхности гидрофильны, а какие - гидрофобны?), другие прикреплены к головкам липидов и целиком находятся либо снаружи, либо внутри клетки. Наружная поверхность клеточной мембраны отличается от внутренней: здесь к головкам липидов и к белкам прикреплены короткие цепочки из остатков моносахаридов - олигосахариды. Все вместе они образуют на поверхности клетки "сахарную шубу" - гликокаликс.
Некоторые белки
могут довольно прочно прикрепляться к поверхности клетки, соприкасаясь при этом
только с олигосахаридами гликокаликса. Например, такой способностью обладают
многие пищеварительные ферменты. Если первичная лизосома сольется с наружной
мембраной клетки, то многие из находившихся в ней пищеварительных ферментов,
оказавшись "на улице", сразу же прилипнут к поверхности гликокаликса.
При этом они смогут "ловить" проплывающие мимо соответствующие
полимеры и расщеплять их. Белки-переносчики из лизосомы окажутся в наружной
мембране, и начнут переносить внутрь клетки соответствующие мономеры.
Получается, что пища будет перевариваться прямо на поверхности клетки. Особенно
активно пристеночное пищеварение происходит в кишечнике у разных животных.