Аппарат Гольджи состоит из цистерн (дискообразных мембранных мешочков), которые немного расширены ближе к краям. Строение комплекса Гольджи можно разделить на 3 отдела:
1. Цис-цистерны или цис-компартмент. Расположены ближе к ядру и эндоплазматической сети;
2. Соединительные цистерны. Средний отдел аппарата Гольджи;
3. Транс-цистерны или транс-компартмент. Самый дальний от ядра отдел и соответственно самый ближний к клеточной мембране.
Также посмотреть как выглядит комплекс Гольджи в клетке можно на примере строения животной клетки или строения растительной клетки .
Функции комплека (аппарата) Гольджи
К основным функциям аппарата Гольджи можно отнести:
1. Выведение веществ синтезированных в эндоплазматическом ретикулуме;
2. Модификация новосинтезированных белковых молекул;
3. Разделяет белки на 3 потока;
4. Формирование слизистых секретов;
5. В растительной клетки отвечает за синтез полисахаридов, которые затем идут на образование клеточной стенки растения;
6. Частичный протеолиз белков;
7. Производит образование лизосом, клеточной мембраны;
8. Сульфатирование углеводных и белковых компонентов гликопротеидов и гликолипидов;
9. Формирование углеводных компонентов гликокаликса - в основном гликолипидов.
Аппарат Гольджи представляет собой стопку уплощенных мембранных мешочков (« ») и систему пузырьков, связанных с ними. При изучении ультратонких срезов было затруднительно выявить его трехмерную структуру, однако ученые предположили, что вокруг центральной сформирована взаимосвязанных трубочек.
Аппарат Гольджи выполняет функцию транспорта веществ и химической модификации клеточных продуктов, попадающих в него. Особенно важной является эта функция в секреторных клетках, например, ацинарные клетки поджелудочной секретируют в выводной проток пищеварительные ферменты панкреатического сока. Ученые изучили функционирование аппарата Гольджи при помощи электронной микрофотографии такой клетки. Отдельные транспорта веществ выявили, используя радиоактивно меченые .
В клетке из аминокислот строятся белки. Установлено, что они концентрируются аппарата Гольджи, а затем транспортируются к плазматической мембране. На конечном этапе секреция неактивных ферментов, подобная форма необходима, чтобы они не смогли разрушить клетки, в которых они образуются. Как правило, поступающие в комплекс Гольджи белки представляют собой гликопротеины. Там они проходят модификацию, которая превращает их в маркеры, позволяющие направить белок строго по своему назначению. Каким именно образом комплекс Гольджи распределяет молекулы, в точности не установлено.
Функция секреции углеводов
В некоторых случаях аппарат Гольджи принимает участие в секреции углеводов, например, у растений - при образовании материала клеточных стенок. Его активность усиливается в области клеточной пластинки, находящейся между двумя вновь образовавшимися дочерними ядрами. Пузырьки Гольджи направляются к этому месту при помощи микротрубочек. Мембраны пузырьков делаются частью плазматических мембран дочерних клеток. Их содержимое становится необходимым для построения клеточных стенок срединной пластинки и новых стенок. Целлюлоза в клетки поставляется отдельно при помощи микротрубочек, минуя аппарат Гольджи.
Аппаратом Гольджи также синтезируется гликопротеин муцин, образующий в растворе слизь. Он вырабатывается бокаловидными клетками, которые находятся в толще эпителия слизистой дыхательных путей и оболочки . У некоторых насекомоядных растений в железах листьев аппарат Гольджи и клейкую слизь. Комплекс Гольджи также принимает участие в секреции воска, слизи, камеди и растительного клея.
1. К какой группе органоидов относятся лизосомы, эндоплазматическая сеть и аппарат Гольджи?
Одномембранные, двумембранные, немембранные.
Лизосомы, эндоплазматическая сеть и аппарат Гольджи являются одномембранными органоидами.
2. Каково строение и функции эндоплазматической сети? Чем шероховатая ЭПС отличается от гладкой?
Эндоплазматическая сеть (ЭПС) представляет собой систему каналов и полостей, окружённых мембраной и пронизывающих гиалоплазму клетки. Мембрана эндоплазматической сети по строению сходна с плазмалеммой. ЭПС может занимать до 50% объёма клетки, её каналы и полости нигде не обрываются и не открываются в гиалоплазму.
Различают шероховатую и гладкую ЭПС. На мембране шероховатой ЭПС расположено множество рибосом, мембрана гладкой ЭПС не содержит рибосом. На рибосомах шероховатой ЭПС синтезируются белки, выводимые за пределы клетки, а также мембранные белки. На поверхности гладкой ЭПС происходит синтез липидов, олиго- и полисахаридов. Кроме того, в гладкой ЭПС, накапливаются ионы Са 2+ – важные регуляторы функций клеток и организма в целом. Гладкая ЭПС клеток печени осуществляет процессы расщепления и обезвреживания токсичных веществ.
Шероховатая ЭПС лучше развита в клетках, которые синтезируют большое количество белков (например, в клетках слюнных желез и поджелудочной железы, осуществляющих синтез пищеварительных ферментов; в клетках поджелудочной железы и гипофиза, вырабатывающих гормоны белковой природы). Гладкая ЭПС хорошо развита в клетках, которые синтезируют, например, полисахариды и липиды (клетки надпочечников и половых желез, вырабатывающие стероидные гормоны; клетки печени, осуществляющие синтез гликогена и др.).
Вещества, которые образуются на мембранах ЭПС, накапливаются внутри полостей сети и преобразуются. Например, белки приобретают свойственную им вторичную, третичную или четвертичную структуру. Затем вещества заключаются в мембранные пузырьки и транспортируются в комплекс Гольджи.
3. Как устроен комплекс Гольджи? Какие функции он выполняет?
Комплекс Гольджи – это система внутриклеточных мембранных структур: цистерн и пузырьков, в которых накапливаются и модифицируются вещества, синтезированные на мембранах ЭПС.
Вещества доставляются в комплекс Гольджи в мембранных пузырьках, которые отшнуровываются от ЭПС и присоединяются к цистернам комплекса Гольджи. Здесь эти вещества претерпевают различные биохимические превращения, а затем снова упаковываются в мембранные пузырьки и большая их часть транспортируется к плазмалемме. Мембрана пузырьков сливается с цитоплазматической мембраной, а содержимое выводится за пределы клетки. В комплексе Гольджи растительных клеток синтезируются полисахариды клеточной стенки. Ещё одна важная функция комплекса Гольджи – образование лизосом.
4. Самые крупные комплексы Гольджи (до 10 мкм) обнаружены в клетках эндокринных желез. Как вы думаете, с чем это связано?
Главная функция клеток эндокринных желез – секреция гормонов. Синтез гормонов происходит на мембранах ЭПС, а накопление, преобразование и выведение этих веществ осуществляет комплекс Гольджи. Поэтому в клетках эндокринных желез сильно развит комплекс Гольджи.
5. Что общего в строении и функциях эндоплазматической сети и комплекса Гольджи? Чем они отличаются?
Сходство:
● Представляют собой комплексы внутриклеточных мембранных структур, ограниченных одинарной мембраной от гиалоплазмы (т.е. являются одномембранными органоидами).
● Способны отделять мембранные пузырьки, содержащие различные органические вещества. Вместе составляют единую систему, обеспечивающую синтез веществ, их модификацию и выведение из клетки (обеспечивают "экспорт").
● Лучше всего развиты в тех клетках, которые специализируются на секреции биологически активных веществ.
Различия:
● Основные мембранные компоненты эндоплазматической сети – каналы и полости, а комплекса Гольджи – уплощённые цистерны и мелкие пузырьки.
● ЭПС специализируется на синтезе веществ, а комплекс Гольджи – на накоплении, модификации и выведении из клетки.
И (или) другие существенные признаки.
6. Что представляют собой лизосомы? Как они образуются? Какие функции выполняют?
Лизосомы – небольшие мембранные пузырьки, которые отшнуровываются от цистерн аппарата Гольджи и содержат набор пищеварительных ферментов, способных расщеплять различные вещества (белки, углеводы, липиды, нуклеиновые кислоты и др.) до более простых соединений.
Пищевые частицы, поступающие в клетку извне, упаковываются в фагоцитарные пузырьки. Лизосомы сливаются с этими пузырьками – так образуются вторичные лизосомы, в которых под действием ферментов питательные вещества расщепляются до мономеров. Последние путём диффузии поступают в гиалоплазму, а непереваренные остатки выводятся за пределы клетки путём экзоцитоза.
Помимо переваривания веществ, поступивших в клетку извне, лизосомы принимают участие в расщеплении внутренних компонентов клетки (молекул и целых органоидов), повреждённых или отслуживших свой срок. Этот процесс получил название аутофагии. Кроме того, под действием ферментов лизосом может происходить самопереваривание старых, утративших функциональную активность или повреждённых клеток и тканей.
7*. Предположите, почему ферменты, находящиеся в лизосоме, не расщепляют её собственную мембрану. К каким последствиям для клетки может привести разрыв мембран лизосом?
Структурные компоненты мембран лизосом ковалентно связаны с большим количеством олигосахаридов (необычайно сильно гликозилированы). Это не позволяет ферментам лизосом взаимодействовать с мембранными белками и липидами, т.е. "переваривать" мембрану.
Вследствие разрыва мембран лизосом пищеварительные ферменты попадают в гиалоплазму, что может привести к расщеплению структурных компонентов клетки и даже к автолизу – самоперевариванию клетки. Однако ферменты лизосом работают в кислой среде (рН внутри лизосом составляет 4,5 - 5,0), если же среда близка к нейтральной, что характерно для гиалоплазмы (рН = 7,0 - 7,3), их активность резко снижается. Это один из механизмов защиты клеток от самопереваривания в случае спонтанного разрыва мембран лизосом.
8*. Установлено, что к молекулам многих веществ, подлежащих выведению из клетки, в комплексе Гольджи «пришиваются» определённые олиго- или полисахариды, причём к разным веществам - различные углеводные компоненты. В таком модифицированном виде вещества и выводятся во внеклеточную среду. Как вы думаете, для чего это нужно?
Углеводные компоненты являются своеобразными метками или "удостоверениями", в соответствии с которыми вещества поступают к местам их функционирования, не будучи по пути расщеплёнными под действием ферментов. Таким образом, по углеводным меткам организм отличает служебные вещества от чужеродных и подлежащих переработке.
* Задания, отмеченные звёздочкой, предполагают выдвижение учащимися различных гипотез. Поэтому при выставлении отметки учителю следует ориентироваться не только на ответ, приведённый здесь, а принимать во внимание каждую гипотезу, оценивая биологическое мышление учащихся, логику их рассуждений, оригинальность идей и т. д. После этого целесообразно ознакомить учащихся с приведённым ответом.
Лабораторно-практическое занятие № 9
Тема: «Аппарат (комплекс) Гольджи»
Цель занятия : выявить морфо-функциональные особенности комплекса Гольджи.
Вопросы для обсуждения
1 . Тонкое строение аппарата Гольджи.
Демонстрационные препараты
Оборудование
1. Фотографии, схемы, рисунки из Атласа по биологии клетки , Ж.-К.Ролана, А. Селоши, Д. Селоши, пер.В.П. Белого, под ред. Ю.С. Ченцова. ─ М.: Мир. 1978. ─ 119 с.
Теоретическое обоснование для подготовки к занятию
Аппара́т (ко́мплекс) Го́льджи ─ мембранная структура эукариотической клетки, органелла, в основном предназначенная для выведения веществ, синтезированных в эндоплазматическом ретикулуме. Аппарат Гольджи был назван так в честь итальянского учёного Камилло Гольджи, впервые обнаружившего его в 1897 году (Fabene P.F., Bentivoglio M., 1998).
Рис. 1. Схема Аппарата Гольджи (А). Строение Аппарата Гольджи (Б)
Примечание : аппарат Гольджи ─ окруженные мембранами полости (цистерны) и связанная с ними система пузырьков. Функции ─ накопление органических веществ; «упаковка» органических веществ; выведение органических веществ; образование лизосом.
Аппарат (комплекс) Гольджи представляет собой стопку дискообразных мембранных мешочков (цистерн), несколько расширенных ближе к краям, и связанную с ними систему пузырьков Гольджи. В растительных клетках обнаруживается ряд отдельных стопок (диктиосомы ), в животных клетках часто содержится одна большая или несколько соединенных трубками стопок.
В Комплексе Гольджи выделяют 3 отдела цистерн, окруженных мембранными пузырьками:
1. Цис-отдел (ближний к ядру).
2. Медиальный отдел.
3. Транс-отдел (самый отдаленный от ядра).
Эти отделы различаются между собой набором ферментов. В цис-отделе первую цистерну называют «цистерной спасения», так как с ее помощью рецепторы, поступающие из промежуточной эндоплазматической сети, возвращаются обратно. Фермент цис-отдела: фосфогликозидаза (присоединяет фосфат к углеводу ─ маннозе).
В медиальном отделе находится 2 фермента: манназидаза (отщепляет манназу) и N-ацетилглюкозаминтрансфераза (присоединяет определенные углеводы ─ гликозамины).
В транс-отделе ферменты: пептидаза (осуществляет протеолиз) и трансфераза (осуществляет переброс химических групп).
Тонкое строение аппарата Гольджи (АГ). В электронном микроскопе видно, что аппарат Гольджи представлен мембранными структурами, собранными вместе в небольшой зоне (рис. 1, 2); в виде стопки расположены плоские мембранные мешки (цистерны), количество таких мешков в стопке обычно не превышает 5-10. Между которыми располагаются тонкие прослойки гиалоплазмы. Каждая отдельная цистерна имеет диаметр около 1 мкм и переменную толщину; в центре мембраны могут быть сближены (25 нм), а на периферии иметь расширения ─ ампулы, ширина которых непостоянна.
Рис. 2. Схема строения диктиосомы (по Ченцову Ю.С., 2010)
Примечание : П ─ проксимальная (цис-) часть; Д ─ дистальная (транс-) часть; В ─ вакуоли; Ц ─ плоские мембранные цистерны; А ─ ампулярные расширения цистерн.
У некоторых одноклеточных их число может достигать 20 штук. Кроме плотно расположенных плоских цистерн в зоне АГ наблюдается множество вакуолей. Мелкие вакуоли встречаются главным образом в периферических участках зоны АГ; иногда видно, как они отшнуровываются от ампулярных расширений на краях плоских цистерн. Принято различать в зоне диктиосомы проксимальный или формирующийся, цис-участок, и дистальный или зрелый, транс-участок (рис. 15.5). Между ними располагается средний или промежуточный участок АГ. Во время деления клеток сетчатые формы АГ распадаются до диктиосом , которые пассивно
и случайно распределяются по дочерним клеткам. При росте клеток общее количество диктиосом увеличивается.
Рис. 3. Типы аппарата Гольджи (по Ченцову Ю.С., 2010)
Примечание : а ─ сетчатый в клетках кишечного эпителия; б ─ диффузный в клетках спинального ганглия; I ─ ядро; 2 ─ АГ; 3 ─ ядрышко.
АГ обычно поляризован в секретирующих клетках: его проксимальная часть обращена к цитоплазме и ядру, а дистальная─ к поверхности клетки. В проксимальном участке к стопкам сближенных цистерн примыкает зона мелких гладких пузырьков и коротких мембранных цистерн.
Рис. 4. Аппарат Гольджи (АГ) в электронном ми кроскопе (по Ченцову Ю.С., 2010)
Рис. 5. Схематическое изображение компонентов аппарата Гольджи (по Ченцову Ю.С., 2010)
Примечание : 1 ─ ЭПР-АГ (ERGIC ) ─ промежуточная зона; 2 ─ цис-зона, проксимальный участок; 3 ─ медиальный ─ средний участок; 4 ─ транс-дистальный участок; 5 ─ транс-сеть АГ.
В средней части диктиосомы периферия каждой цистерны также сопровождается массой мелких вакуолей около 50 нм в диаметре.
В дистальном или транс-участке диктиосом к последней мембранной плоской цистерне примыкает участок, состоящий из трубчатых элементов и массой мелких вакуолей, часто имеющих фибриллярную опушѐнность по поверхности со стороны цитоплазмы ─ это опушѐнные или окаймленные пузырьки такого же типа, как и окаймленные пузырьки при пиноцитозе (от др.-греч.πίνω ─ пью, впитываю и κύτος ─ вместилище,клетка ─ захват клеточной поверхностью жидкости с содержащимися в ней веществами; процесс поглощения и внутри клеточного разрушения макромолекул).
Это так называемая транс-сеть аппарата Гольджи (TGN), где происходит разделение и сортировка секретируемых продуктов. Еще дистальнее располагается группа более крупных вакуолей ─ это уже продукт слияния мелких вакуолей и образования секреторных вакуолей.
При изучении толстых срезов клеток в мегавольтный электронный микроскоп было найдено, что в клетках отдельные диктосомы могут быть связаны друг с другом системой вакуолей и цистерн. Так что образуется рыхлая трехмерная сеть, выявляемая в световом микроскопе. В случае диффузной формы АГ каждый отдельный его участок представлен диктиосомой. В клетках животных часто с зоной мембран аппарата Гольджи ассоциированы центриоли; между радиально отходящих от них пучков микротрубочек лежат группы стопок мембран и вакуолей, которые концентрически окружают клеточный центр. Эта связь, вероятно, отражает участие микротрубочек в движении вакуолей.
Функции аппарата Гольджи .Наряду с белками в аппарате Гольджи осуществляется транспорт мембранных липидов.
1. Разделение белков на 3 потока :
● Цис-отдел (ближний к ядру); лизосомальный ─ гликозилированные белки (с маннозой) поступают в цис-отдел комплекса Гольджи, некоторые из них фосфорилируются, образуется маркёр лизосомальных ферментов ─ манноза-6-фосфат. В дальнейшем эти фосфорилированные белки не будут подвергаться модификации, а попадут в лизосомы.
● Медиальный отдел; конститутивный экзоцитоз (конститутивная секреция). В этот поток включаются белки и липиды, которые становятся компонентами поверхностного аппарата клетки, в том числе гликокаликса, или же они могут входить в состав внеклеточного матрикса.
● Транс-отдел (самый отдаленный от ядра); индуцируемая секреция ─ сюда попадают белки, которые функционируют за пределами клетки, поверхностного аппарата клетки, во внутренней среде организма. Характерен для секреторных клеток.
2. Формирование слизистых секретов (секреторная функция аппарата Гольджи) ─ гликозамингликанов (мукополисахаридов).
●Мембранные элементы АГ участвуют в сегрегации и накоплении продуктов, синтезированных в ЭПР, участвуют в их химических перестройках, созревании (перестройка олигосахаридных компонентов гликопротеинов в составе водорастворимых секретов или в составе мембран), (рис. 6).
●В цистернах АГ происходит синтез полисахаридов, их взаимосвязь с белками, приводящая к образованию мукопротеидов.
●Главное, с помощью элементов аппарата Гольджи происходит процесс выведения готовых секретов за пределы клетки. Кроме того, АГ ─ источник клеточных лизосом.
●Участие АГ в процессах выведения секреторных продуктов было очень хорошо изучено на примере экзокринных клеток поджелудочной железы. Для этих клеток характерно наличие большого числа секреторных гранул (зимогеновых гранул ), которые представляют собой мембранные пузырьки, заполненные белковым содержимым. В составе белков зимогеновых гранул входят разнообразные ферменты: протеазы, липазы, карбогидразы, нуклеазы.
При секреции содержимое этих зимогеновых гранул выбрасывается из клеток в просвет железы, а затем перетекает в полость кишечника. Так как основным продуктом, выводимым клетками поджелудочной железы, является белок, то исследовали последовательность включения радиоактивных амино-кислот в различные участки клетки (рис. 7).
Рис. 6. Схема связи ЭПР, аппарата Гольджи с образованием и выделением зимогена из ацинарных клеток поджелудочной железы (по Ченцову Ю.С., 2010)
Примечание : 1 ─ переходная зона между ЭПР и АГ; 2 ─ зона созревания секреторных гранул; 3 ─ отделившиеся от АГ зимогеновые гранулы; 4 ─ их выход (экзоцитоз) за пределы клетки.
Рис.
7. Последовательность обнаружения
}
