Органоиды движения рисунок: Органоиды движения – строение и функции у одноклеточных

Ядро и цитоплазма | Анатомия и физиология

Цели обучения

• Опишите структуру и функцию ядра
• Объясните организацию ДНК в ядре
• Опишите структуру и функцию основных клеточных органелл

Теперь, когда вы узнали, что плазматическая мембрана окружает все клетки, вы можете погрузиться в прототип клетки человека, чтобы узнать о ее внутренних компонентах и ​​их функциях.Клетки животных содержат три основных участка: плазматическую мембрану, ядро ​​и цитоплазму. Ядро — центральная органелла клетки, которая содержит ДНК клетки (рис. 3.6). Цитоплазма состоит из двух частей: цитозоля и органелл. Цитозоль , желеобразное вещество внутри клетки, обеспечивает жидкую среду, необходимую для биохимических реакций. Органелла («маленький орган») — это один из нескольких различных типов мембранных тел в клетке, каждое из которых выполняет уникальную функцию.Подобно тому, как различные органы тела работают вместе в гармонии для выполнения всех функций человека, множество различных клеточных органелл работают вместе, чтобы поддерживать здоровье клетки и выполнять все ее важные функции.

Ядро — самая большая и самая заметная из органелл клетки (Рисунок 3.7). Ядро обычно считается центром управления клеткой, потому что оно хранит все генетические инструкции для производства белков. Интересно, что некоторые клетки тела, например мышечные, содержат более одного ядра, которое называется многоядерным. Другие клетки, такие как эритроциты (эритроциты) млекопитающих, вообще не содержат ядер. По мере созревания эритроциты выбрасывают свои ядра, освобождая место для большого количества молекул гемоглобина, которые переносят кислород по всему телу. Без ядер продолжительность жизни эритроцитов коротка, поэтому организм должен постоянно производить новые.

Внутри ядра находится план, который диктует все, что клетка будет делать, и все продукты, которые она будет производить. Эта информация хранится в ДНК. Ядро отправляет «команды» клетке через молекулярные мессенджеры, которые транслируют информацию из ДНК.Каждая клетка вашего тела (за исключением половых клеток) содержит полный набор вашей ДНК. Когда клетка делится, ДНК должна быть продублирована, чтобы каждая новая клетка получала полный набор ДНК. В следующем разделе мы исследуем структуру ядра и его содержимое, а также процесс репликации ДНК.

Организация ядра и его ДНК

Как и большинство других клеточных органелл, ядро ​​окружено мембраной, называемой ядерной оболочкой .Это мембранное покрытие состоит из двух смежных липидных бислоев с тонким жидким пространством между ними. Эти два бислоя охватывают ядерные поры. Ядерная пора представляет собой крошечный проход для прохождения белков, РНК и растворенных веществ между ядром и цитоплазмой. Внутри ядерной оболочки находится гелеобразная нуклеоплазма с растворенными веществами, которые включают строительные блоки нуклеиновых кислот. Также может быть темная масса, часто видимая под простым световым микроскопом, называемая ядрышком (множественное число = ядрышки).Ядрышко — это область ядра, которая отвечает за производство РНК, необходимой для построения рибосом. После синтеза вновь образованные субъединицы рибосомы покидают ядро ​​клетки через ядерные поры. Генетические инструкции, которые используются для построения и поддержания организма, упорядочены в цепях ДНК. Внутри ядра расположены нити , хроматин , состоящий из ДНК и связанных белков (рис. 3.8). Хроматин — это волокнистая форма ДНК, которая позволяет эффективно упаковывать ДНК в ядре, сохраняя при этом структуру, позволяющую синтезировать белки на ранних стадиях.Вдоль нитей хроматина ДНК обернута вокруг набора белков гистонов . Когда клетка находится в процессе деления, хроматин конденсируется в хромосомы, так что ДНК можно безопасно транспортировать к «дочерним клеткам». Хромосома состоит из ДНК и белков; это конденсированная форма хроматина. Подсчитано, что у человека почти 22 000 генов распределены по 46 хромосомам.

Органеллы эндомембранной системы

Набор из трех основных органелл вместе формирует систему внутри клетки, называемую эндомембранной системой. Эти органеллы работают вместе для выполнения различных клеточных задач, включая задачу производства, упаковки и экспорта определенных клеточных продуктов. Органеллы эндомембранной системы включают эндоплазматический ретикулум, аппарат Гольджи и везикулы.

Эндоплазматическая сеть

Эндоплазматический ретикулум , , (ER), — это система каналов, которые являются непрерывными с ядерной мембраной (или «оболочкой»), покрывающей ядро, и состоят из того же материала липидного бислоя. ER можно рассматривать как серию извилистых магистралей, похожих на водные каналы Венеции. ER обеспечивает проходы через большую часть клетки, которые функционируют при транспортировке, синтезе и хранении материалов.Обмоточная структура ER приводит к большой площади мембранной поверхности, которая поддерживает его многие функции (рис. 3.9).

Эндоплазматический ретикулум может существовать в двух формах: грубый ER и гладкий ER. Эти два типа ER выполняют очень разные функции и могут быть найдены в очень разных количествах в зависимости от типа клетки.Грубый ER (RER) называется так, потому что его мембрана усеяна встроенными гранулами — органеллами, называемыми рибосомами, что придает RER неровный вид.

A рибосома — органелла, которая служит местом синтеза белка. Его можно обнаружить свободно плавающим в цитоплазме или прикрепленным к ER. Он состоит из двух субъединиц рибосомной РНК, которые оборачиваются вокруг мРНК, чтобы запустить процесс трансляции, стадию синтеза белка. Синтез белка состоит из двух стадий: транскрипции и трансляции.Транскрипция происходит внутри ядра и представляет собой фазу синтеза белков, в которой мРНК копируется из ДНК. МРНК покидает ядро ​​через ядерные поры и переходит к рибосоме. Затем рибосома «считывает» или интерпретирует инструкции внутри мРНК и использует РНК переноса (тРНК) для связывания аминокислот в соответствующем порядке с образованием белка ( рис. 3.10, ). Как правило, белок синтезируется внутри рибосомы и высвобождается внутри канала грубого ER, где к нему могут быть добавлены сахара (посредством процесса, называемого гликозилированием), прежде чем он будет транспортирован внутри везикулы на следующий этап процесса упаковки и транспортировки. : аппарат Гольджи.

Smooth ER (SER) не содержит этих рибосом. Одна из основных функций гладкого ЭПР — синтез липидов. Гладкий ER синтезирует фосфолипиды, основной компонент биологических мембран, а также стероидные гормоны.По этой причине клетки, вырабатывающие большое количество таких гормонов, например, из женских яичников и мужских семенников, содержат большое количество гладкого ЭПР. В дополнение к синтезу липидов гладкий ЭПР также изолирует (то есть накапливает) и регулирует концентрацию ионов кальция в мышечной и нервной ткани. Гладкий ER дополнительно метаболизирует некоторые углеводы и выполняет роль детоксикации в печени, расщепляя определенные токсины. В отличие от гладкого ER, основная работа грубого ER — это синтез и модификация белков, предназначенных для клеточной мембраны или для экспорта из клетки.Для этого синтеза белка многие рибосомы прикрепляются к ER (придавая ему вид грубого ER).

Аппарат Гольджи

Аппарат Гольджи отвечает за сортировку, модификацию и отгрузку продуктов, поступающих из неотложной неотложной помощи, во многом как почтовое отделение. Аппарат Гольджи выглядит как сложенные стопкой плоские диски, почти как стопки блинов странной формы. Как и ER, эти диски являются перепончатыми. У аппарата Гольджи есть две разные стороны, каждая из которых играет свою роль.Одна сторона аппарата принимает продукты в виде пузырьков. Эти продукты сортируются в аппарате, а затем выпускаются с противоположной стороны после переупаковки в новые пузырьки. Если продукт должен быть экспортирован из клетки, везикула мигрирует на поверхность клетки и сливается с клеточной мембраной, и груз секретируется (рис. 3.11).

Лизосомы

Некоторые из белковых продуктов, упаковываемых аппаратом Гольджи, содержат пищеварительные ферменты, которые должны оставаться внутри клетки для использования при расщеплении определенных материалов.Везикулы, содержащие ферменты, высвобождаемые Гольджи, могут образовывать новые лизосомы или сливаться с существующими лизосомами. Лизосома представляет собой органеллу, которая содержит ферменты, которые расщепляют и переваривают ненужные клеточные компоненты, такие как поврежденная органелла. (Лизосома похожа на разрушительную бригаду, которая сносит старые и ненадежные здания в районе.) Аутофагия («самопоедание») — это процесс переваривания клеткой собственных структур. Лизосомы также важны для расщепления инородного материала.Например, когда определенные клетки иммунной защиты (лейкоциты) фагоцитируют бактерии, бактериальная клетка транспортируется в лизосому и переваривается находящимися внутри ферментами. Как можно догадаться, такие клетки фагоцитарной защиты содержат большое количество лизосом. При определенных обстоятельствах лизосомы выполняют более грандиозную и ужасную функцию. В случае поврежденных или нездоровых клеток лизосомы могут открыться и высвободить свои пищеварительные ферменты в цитоплазму клетки, убивая клетку.Этот механизм «самоуничтожения» называется автолиз и делает процесс гибели клеток управляемым (механизм, называемый «апоптоз»).

Посмотрите это видео, чтобы узнать об эндомембранной системе, которая включает грубую и гладкую ER и тело Гольджи, а также лизосомы и везикулы. Какова основная роль эндомембранной системы?

Органеллы для производства энергии и детоксикации

Помимо функций, выполняемых эндомембранной системой, клетка выполняет множество других важных функций.Подобно тому, как вы должны потреблять питательные вещества, чтобы обеспечить себя энергией, каждая из ваших клеток должна принимать питательные вещества, некоторые из которых превращаются в химическую энергию, которая может использоваться для поддержания биохимических реакций. Еще одна важная функция клетки — детоксикация. Люди поглощают всевозможные токсины из окружающей среды, а также производят вредные химические вещества в качестве побочных продуктов клеточных процессов. Клетки печени, называемые гепатоцитами, выводят многие из этих токсинов.

Митохондрии

A митохондрия (множественное число = митохондрии) представляет собой мембранную органеллу бобовидной формы, которая является «преобразователем энергии» клетки.Митохондрии состоят из внешней двухслойной липидной мембраны, а также дополнительной внутренней двухслойной липидной мембраны (рис. 3.12). Внутренняя мембрана сильно сложена в извилистые структуры с большой площадью поверхности, называемые кристами. Именно вдоль этой внутренней мембраны ряд белков, ферментов и других молекул выполняет биохимические реакции клеточного дыхания. Эти реакции преобразуют энергию, хранящуюся в молекулах питательных веществ (таких как глюкоза), в аденозинтрифосфат (АТФ), который обеспечивает клетку полезной клеточной энергией.Клетки постоянно используют АТФ, поэтому митохондрии постоянно работают. Молекулы кислорода необходимы во время клеточного дыхания, поэтому вы должны постоянно вдыхать их. Одной из систем организма, которая использует огромное количество АТФ, является мышечная система, потому что АТФ требуется для поддержания мышечного сокращения. В результате мышечные клетки заполнены митохондриями. Нервным клеткам также требуется большое количество АТФ для работы натриево-калиевых насосов. Следовательно, отдельный нейрон будет загружен более чем тысячей митохондрий.С другой стороны, костная клетка, которая не так метаболически активна, может иметь всего пару сотен митохондрий.

Пероксисомы

Как и лизосомы, пероксисома представляет собой мембраносвязанную клеточную органеллу, которая в основном содержит ферменты (рис. 3.13). Пероксисомы выполняют несколько различных функций, включая метаболизм липидов и химическую детоксикацию. В отличие от пищеварительных ферментов, содержащихся в лизосомах, ферменты в пероксисомах служат для передачи атомов водорода от различных молекул к кислороду, производя перекись водорода (H ₂ O ₂ ).Таким образом, пероксисомы нейтрализуют яды, такие как алкоголь. Чтобы понять важность пероксисом, необходимо понять концепцию активных форм кислорода.

Активные формы кислорода (АФК) , такие как пероксиды и свободные радикалы, являются высокореактивными продуктами многих нормальных клеточных процессов, включая митохондриальные реакции, которые производят АТФ и метаболизм кислорода.Примеры ROS включают гидроксильный радикал ОН, H ₂ O ₂ и супероксид (O ₂ ^—). Некоторые АФК важны для определенных клеточных функций, таких как клеточные сигнальные процессы и иммунные ответы против чужеродных веществ. Свободные радикалы реактивны, потому что они содержат свободные неспаренные электроны; они могут легко окислять другие молекулы по всей клетке, вызывая клеточное повреждение и даже смерть клетки. Считается, что свободные радикалы играют роль во многих деструктивных процессах в организме, от рака до ишемической болезни сердца.С другой стороны, пероксисомы контролируют реакции, нейтрализующие свободные радикалы. Пероксисомы производят большое количество токсичного H ₂ O ₂ в процессе, но пероксисомы содержат ферменты, которые превращают H ₂ O ₂ в воду и кислород. Эти побочные продукты безопасно попадают в цитоплазму. Подобно миниатюрным установкам для очистки сточных вод, пероксисомы нейтрализуют вредные токсины, поэтому они не наносят вред клеткам. Печень — это орган, который в первую очередь отвечает за детоксикацию крови перед ее распространением по телу, а клетки печени содержат исключительно большое количество пероксисом.Защитные механизмы, такие как детоксикация внутри пероксисомы и некоторых клеточных антиоксидантов, служат для нейтрализации многих из этих молекул. Некоторые витамины и другие вещества, содержащиеся в основном во фруктах и ​​овощах, обладают антиоксидантными свойствами. Антиоксиданты действуют, окисляясь сами, останавливая каскады деструктивных реакций, инициируемых свободными радикалами. Однако иногда АФК накапливаются за пределами возможностей такой защиты. Окислительный стресс — это термин, используемый для описания повреждения клеточных компонентов, вызванного ROS.Из-за своих характерных неспаренных электронов АФК могут запускать цепные реакции, в которых они удаляют электроны из других молекул, которые затем становятся окисленными и реакционноспособными, и делают то же самое с другими молекулами, вызывая цепную реакцию. АФК могут вызвать необратимое повреждение клеточных липидов, белков, углеводов и нуклеиновых кислот. Поврежденная ДНК может привести к генетическим мутациям и даже к раку. Мутация представляет собой изменение нуклеотидной последовательности в гене в ДНК клетки, потенциально изменяющее белок, кодируемый этим геном.Другие заболевания, которые, как считается, вызываются или обостряются ROS, включают болезнь Альцгеймера, сердечно-сосудистые заболевания, диабет, болезнь Паркинсона, артрит, болезнь Хантингтона и шизофрению, среди многих других. Примечательно, что эти заболевания во многом связаны с возрастом. Многие ученые считают, что окислительный стресс является одним из основных факторов старения.

Цитоскелет

Так же, как костный скелет структурно поддерживает человеческое тело, цитоскелет помогает клеткам сохранять свою структурную целостность.Цитоскелет представляет собой группу волокнистых белков, которые обеспечивают структурную поддержку клеток, но это только одна из функций цитоскелета. Компоненты цитоскелета также имеют решающее значение для подвижности клеток, воспроизводства клеток и транспортировки веществ внутри клетки. Цитоскелет образует сложную нитевидную сеть по всей клетке, состоящую из трех различных видов волокон на основе белков: микрофиламентов, промежуточных волокон и микротрубочек (рис.14). Самая толстая из трех — это микротрубочка , структурная нить, состоящая из субъединиц белка, называемого тубулином. Микротрубочки поддерживают форму и структуру клетки, помогают сопротивляться сжатию клетки и играют роль в расположении органелл внутри клетки. Микротрубочки также составляют два типа клеточных придатков, важных для движения: реснички и жгутики. Реснички находятся на многих клетках тела, включая эпителиальные клетки, выстилающие дыхательные пути дыхательной системы.Реснички движутся ритмично; они постоянно бьются, перемещая отходы, такие как пыль, слизь и бактерии, вверх по дыхательным путям, от легких к рту. Удары ресничек клеток в женских фаллопиевых трубах перемещают яйцеклетки из яичника в матку. Флагеллум , , , (множественное число = жгутики) — это придаток больше реснички и специализированный для передвижения клеток. Единственная жгутиковая клетка у человека — это сперматозоид, который должен продвигаться к женским яйцеклеткам.

Очень важная функция микротрубочек — устанавливать пути (что-то вроде железнодорожных путей), по которым можно тянуть генетический материал (процесс, требующий АТФ) во время деления клетки, чтобы каждая новая дочерняя клетка получала соответствующий набор хромосом.Две короткие идентичные структуры микротрубочек, называемые центриолями, находятся рядом с ядром клеток. Центриоль может служить точкой клеточного происхождения для микротрубочек, выходящих наружу в виде ресничек или жгутиков, или может способствовать разделению ДНК во время деления клетки путем формирования митотического веретена (волокна веретена).

Цитоскелет — двигатели и формирователи в ячейке

(микротрубочки и, в ближайшее время: промежуточные филаменты, актиновые филаменты и моторные белки: кинезин, динеин и миозин)

Для просмотра изображения микроскопа исследовательского уровня, интерпретированного с использованием технологии CIMR GridPoint, НАЖМИТЕ ЗДЕСЬ

Быстрый просмотр: Цитоскелет — это общее название белковых нитей и моторных белков (также называемых молекулярными моторами) в клетке.Эти белковые нити образуют огромную трехмерную (3D) сетку. Нити могут быть сшиты с другими подобными нитями и с мембранами с помощью дополнительных белков. Это соединение значительно увеличивает жесткость. Некоторые волокна используются в качестве путей для моторных белков при транспортировке грузов.

Если вы слышали о людях, которые лечились от рака препаратами таксол или винкристин или у которых постоянно развевались волосы, то вы слышали о лечении, направленном на цитоскелет клетки.Картофельный голод в Ирландии 1850 г. возник в компоненте цитоскелета, и некоторые вирусы транспортируются в ядро ​​клетки по микротрубочкам, составляющим часть цитоскелета. Есть некоторые свидетельства того, что при болезни Альцгеймера микротрубочки в аксонах нервов утрачиваются, а количество запутанного белка увеличивается. Цитоскелет — очень важная динамическая часть клетки, но на упрощенных рисунках его не часто показывают.

Все клетки, за исключением клеток большинства бактерий, содержат компоненты цитоскелета.Они помогают клетке оставаться неподвижной, но также помогают ей двигаться и менять форму, когда им приказывают. Компоненты цитоскелета также позволяют перемещаться ресничкам, жгутикам и сперматозоидам, органеллам клетки перемещаться и позиционироваться, а мышцам — функционировать. Во время деления клетки эти компоненты также помогают, притягивая дочерние хромосомы к противоположным «полюсам» в процессе деления. На протяжении всей жизни клетки различные молекулы и грузы, содержащие везикулы, переносятся по клетке с помощью моторных белков.Они движутся по белковым нитям, используя их в качестве рельсовых путей, скорее, как железнодорожный локомотив, движущийся по рельсовым путям.

Есть три группы движителей, моторных белков: кинезин, динеин и миозин, и три основные группы формирователей, белковых нитей: микротрубочки, промежуточные филаменты и актиновые филаменты.

• На этом изображении показаны клетки животных. Они окрашены флуоресцентными метками, чтобы помочь визуализировать цитоскелет с микротрубочками (зеленые), актиновыми филаментами (красные) и ядром (синие).

  Цитоскелет обычно не показан на простых схемах клетки, потому что он представляет собой сложную сеть нитей. Клетки не были бы клетками без их цитоскелета (изображения любезно предоставлены Марком Шипманом, Джеймсом Блайтом и Луизой Крамер, Лаборатория молекулярной клеточной биологии, Университетский колледж Лондона, Великобритания)

Цитоскелет вносит вклад в архитектуру и транспортную систему клетки
На ранней стадии эволюции эукариотических клеток компартментализация клеточных функций в мембранные структуры сопровождалась эволюцией системы, которая их позиционировала и закрепляла.Таким образом, эта система способствует архитектуре клетки, ее жесткости и, в некоторых случаях, ее способности двигаться. Он также вносит свой вклад, обеспечивая физическую транспортную систему, которая позволяет везикулам, заполненным грузом, некоторым отдельным молекулам и даже некоторым клеточным органеллам перемещаться внутри клетки. Цитоскелет — это динамический объект, в котором некоторые компоненты цитоскелета собираются и разбираются для удовлетворения меняющихся потребностей клетки.

Что это за движители и формирователи в камере?

Формирователи (белковые нити) бывают трех размеров
Изменяющаяся форма и жесткость клетки, а также ее способность двигаться в значительной степени зависят от трех групп белковых нитей цитоскелета:

• Микротрубочки — размер: внешний диаметр около 25 нм
• Промежуточные волокна — размер: внешний диаметр около 10 нм
• Актиновые нити — размер: внешний диаметр около 8 нм

Все три группы белковых нитей представляют собой полимеры, состоящие из белковых субъединиц.

Двигатели (моторные белки) представлены тремя моделями.
Молекулы и грузы, содержащие везикулы, а иногда и органеллы, перемещаются по клетке с помощью моторных белков. Существует три основных группы моторных белков, все из которых эффективно работают за счет аденозинтрифосфата (АТФ)

Как и все компоненты клетки, члены цитоскелета работают вместе с другими частями клетки как единое динамическое целое. Для наглядности различные части будут обсуждаться отдельно, но их следует рассматривать, как они работают, как единую систему.

Микротрубочки

Микротрубочки — это полые трубки переменной длины и диаметром около 25 нм. Они жесткие, но гибкие. Микротрубочки переносят грузы по длине нервных аксонов; у людей аксоны могут быть больше метра в длину.
Микротрубочки собираются линейно из строительных блоков молекул тубулина, сгруппированных в пары, называемые димерами. Димеры соединяются встык в процессе полимеризации с образованием линейного полимера, называемого протофиламентом.Тринадцать протофиламентов, лежащих параллельно, образуют круглую трубку с каналом, проходящим посередине. — Это микротрубочка.

Для сборки микротрубочек концентрация молекул тубулина в растворе должна превышать критический уровень. Каждая молекула строительного блока тубулина называется «полярной», поскольку у нее на каждом конце разная молекулярная конфигурация. Один конец называется положительным; другой конец «минус». «Плюсовой» конец одной молекулы может соединяться только с «минусовым» концом другой.Таким образом, они складываются в линейный полимер.

Молекулы тубулина также соединяются с соседними молекулами тубулина в круге, скорее как люди, держащиеся за руки.

Микротрубочки очень нестабильны и могут очень быстро разбираться. На первый взгляд это может показаться очень неэффективным, но во время митоза и в обстоятельствах, требующих быстрого изменения формы клетки, быстрая разборка и сборка являются полезными активами. Этот процесс называется «динамической нестабильностью» и в основном направляется и контролируется химическим гуанозин-5’-трифосфатом (GTP).

Удлинение микротрубочек происходит за счет полимеризации молекул тубулина; деполимеризация приводит к сокращению.

Белки, связанные с микротрубочками (MAP) в цитоплазме, регулируют процесс удлинения и укорачивания. Они могут связываться с микротрубочкой как на ее концах, так и по длине. Таким образом, MAP могут ограничивать удлинение и помогать прикреплять микротрубочки к органеллам и мембранам внутри клетки.

Большинство микротрубочек прикреплены к организующему центру и первоначально возникают из него; в клетках животных это обычно центросома.Когда клетки делятся, делится и центросома. Микротрубочки прикрепляются к центросоме своим «минусовым» концом, который растет медленнее всего. Центросомы часто лежат близко к ядру клетки, и микротрубочки исходят отсюда во всех направлениях к краю клетки (плазматической мембране).
«Плюсовой» конец микротрубочки наиболее удален от центросомы. Именно здесь микротрубочки быстро удлиняются или укорачиваются в ответ на сигналы.

Микротрубочки в растительных клетках

Растительные клетки не имеют центросомы и, следовательно, не имеют единого наблюдаемого сайта зародышеобразования, из которого образуются новые микротрубочки.

В растительных клетках есть много небольших участков зародышеобразования, и они, а также инициируемые ими микротрубочки расположены в клетке на стороне цитоплазмы плазматической мембраны и чуть ниже нее. Они расположены параллельно друг другу, но тесно связаны между собой, образуя сетевой слой, проходящий параллельно плазматической мембране по всей клетке.

Интересно, что микротрубочки растительных клеток могут перестраиваться в ответ на химическую стимуляцию. Микротрубочки в клетках около кончика корня находятся под прямым углом к ​​направлению роста корня.Дальше от кончика корня микротрубочки поворачиваются под прямым углом и выравниваются, становясь параллельными направлению роста корня.
Нельзя недооценивать важность микротрубочек в растительных клетках. Деполимеризация микротрубочек приводит к неорганизованному отложению целлюлозы. Кончик корня становится массой таких клеток, и хотя они расширяются, они не могут удлиняться, и ткань растет искаженным образом. Такие химические вещества, как колхицин, ингибируют полимеризацию и, следовательно, останавливают образование микротрубочек.Некоторые синтетические средства от сорняков вызывают деполимеризацию микротрубочек.

Микротрубочки и движение

Быстрая сборка и разборка микротрубочек может физически перемещать пузырьки и клеточные органеллы. Микротрубочки могут находить их внутри клетки, удерживать на месте и перемещать. Это происходит, например, во время митоза.

Микротрубочки в жгутиках и ресничках

У таких организмов, как Chlamydomonas и Paramecium , хлыстовые движения жгутиков и ресничек создаются микротрубочками, работающими с моторными белками, чтобы производить изгибные движения, заставляя микротрубочки скользить.Ионы АТФ, цАМФ и кальция также активно участвуют в движении жгутиков и ресничек.

Микротрубочки и белковые (молекулярные) моторы

Микротрубочки образуют сеть основных путей, по которым перемещаются моторные белки. Они перемещаются по внешней стороне микротрубочки, а НЕ по внутренней.

Актиновые филаменты также используются в качестве дорожек, а микротрубочки и актиновые филаменты могут быть связаны белками.

Моторные белки разных моделей перемещаются по микротрубочкам в разных направлениях.
Кинезиновые модели моторного белка перемещают к «положительный» конец микротрубочки и стремятся транспортировать грузы на от от области ядра .

Модели динеина перемещаются на в направлении , «минус» конца и, следовательно, транспортируют грузы по микротрубочке к ядру.

Микротрубочки и медицина.

Болезнь Альцгеймера
Микротрубочки, обнаруженные в нервных клетках, прикреплены к белкам, связанным с микротрубочками (MAP), включая тау-белок.В здоровых клетках эти белки прикреплены за пределами микротрубочек. Помимо их регулирования (см. Выше) MAP увеличивают как стабильность, так и жесткость микротрубочек, но снижают их гибкость.
При болезни Альцгеймера и некоторых других деменциях микротрубочки теряются из аксонов и увеличивается количество неорганизованных запутанных нитей тау-белка.
Потеря микротрубочек приводит к потере транспортных услуг вверх и вниз по аксону нерва. Без этого движения биохимических веществ и органелл нервные клетки теряют функцию.Причины потери микротрубочек и увеличения тау-белка пока не известны, и общая картина считается более сложной.

Микротрубочки и лечение рака
Любой режим приема лекарств или процедура вмешательства, которые подавляют физические или химические процессы / события, которые являются частью процесса репликации клеток, могут быть использованы для лечения рака. Однако, чтобы быть достойным рассмотрения, лекарство или процедура должны быть не только эффективными, но и иметь минимальное разрушающее воздействие на незлокачественные клетки или вообще не иметь его.Он также должен быть способен доставляться к клеткам-мишеням эффективным и безопасным способом с небольшими общими побочными эффектами, такими как тошнота, или вовсе без них.

Микротрубочки играют настолько важную роль во время M-фазы клеточного цикла, что они являются возможной мишенью для лечения рака.
Рассмотрим, что делают микротрубочки в форме волокон веретена во время митоза. Они выравниваются, затем вытягиваются и позиционируются. В основном это происходит как за счет роста, так и за счет укорачивания микротрубочек. Если этот механизм можно остановить, то клетка не сможет делиться.Биология клетки указывает на два возможных варианта:

• разрушение сборки микротрубочек. — Это означает предотвращение полимеризации и / или стимулирование деполимеризации, и
• «запирающие» или стабилизирующие микротрубочки уже собраны, поэтому их нельзя разобрать путем деполимеризации.

Было обнаружено несколько лекарств, подходящих для клеточной биологии.

Taxol работает путем ингибирования разборки микротрубочек. Клетка становится «заблокированной», микротрубочки становятся статичными, а это не способствует делению раковых клеток.

Лекарства колхицин, нокодазол и винкристин ингибируют сборку микротрубочек, ингибируя полимеризацию и способствуя деполимеризации. Винкристин особенно используется в химиотерапии рака.

Работа в процессе
Пожалуйста, вернитесь на этот сайт, чтобы увидеть заметки о промежуточных и актиновых филаментах и ​​моторных белках. — Эти предметы в ближайшее время.

5.6: Клеточные органеллы — Biology LibreTexts

Обзор рибосом

Рисунок \ (\ PageIndex {1} \) представляет важную структуру в живых клетках.Это компонент рибосомы, клеточной структуры, в которой синтезируются белки. Большая рибосомная субъединица (50S) Haloarcula marismortui , обращенная к 30S субъединице. Рибосомные белки показаны синим цветом, рРНК — охрой (оттенки коричневого и желтого), активный центр — красным. Все живые клетки содержат рибосомы, будь то прокариотические или эукариотические клетки. Однако только эукариотические клетки также содержат ядро ​​и несколько других типов органелл.

Органелла — это структура в цитоплазме эукариотической клетки, которая заключена в мембрану и выполняет определенную работу.Органеллы участвуют во многих жизненно важных функциях клеток. Органеллы в клетках животных включают ядро, митохондрии, эндоплазматический ретикулум, аппарат Гольджи, везикулы и вакуоли. Рибосомы не заключены в мембрану, но все еще обычно называются органеллами в эукариотических клетках.

Ядро

Ядро является самой большой органеллой в эукариотической клетке и считается центром управления клеткой. Он содержит большую часть ДНК клетки, из которой состоят хромосомы, и кодируется генетическими инструкциями по производству белков.Функция ядра — регулировать экспрессию генов, в том числе контролировать, какие белки вырабатывает клетка. Помимо ДНК, ядро ​​содержит густую жидкость, называемую нуклеоплазмой, которая по составу похожа на цитозоль, обнаруженный в цитоплазме вне ядра (рисунок \ (\ PageIndex {2} \)). Большинство эукариотических клеток содержат только одно ядро, но некоторые типы клеток, такие как красные кровяные тельца, не содержат ядра. Некоторые другие типы клеток, например мышечные, содержат несколько ядер.

Как вы можете видеть из модели на рисунке \ (\ PageIndex {2} \), мембрана, охватывающая ядро, называется ядерной оболочкой . Фактически это двойная мембрана, которая охватывает всю органеллу и изолирует ее содержимое от клеточной цитоплазмы.Крошечные отверстия, называемые ядерными порами , позволяют большим молекулам проходить через ядерную оболочку с помощью специальных белков. Большие белки и молекулы РНК должны иметь возможность проходить через ядерную оболочку, чтобы белки могли синтезироваться в цитоплазме, а генетический материал мог сохраняться внутри ядра. Ядрышко , показанное на модели ниже, в основном участвует в сборке рибосом. После образования в ядрышке рибосомы экспортируются в цитоплазму, где участвуют в синтезе белков.

Митохондрии

Митохондрия (множественное число, митохондрии ) — это органелла, которая делает энергию доступной для клетки (рисунок \ (\ PageIndex {3} \)). Вот почему митохондрии иногда называют энергетическими установками клетки. Они используют энергию органических соединений, таких как глюкоза, для производства молекул АТФ (аденозинтрифосфат) , молекулы, переносящей энергию, которая почти повсеместно используется внутри клеток для получения энергии.

Ученые считают, что митохондрии когда-то были свободноживущими организмами, потому что они содержат собственную ДНК.Они предполагают, что древние прокариоты инфицировали (или были поглощены) более крупными прокариотическими клетками, и эти два организма развили симбиотические отношения, которые принесли пользу им обоим. Более крупные клетки предоставили меньшим прокариотам место для жизни. В свою очередь, более крупные клетки получали дополнительную энергию от более мелких прокариот. В конце концов, более мелкие прокариоты стали постоянными гостями более крупных клеток в качестве органелл внутри них. Эта теория называется эндосимбиотической теорией , , и сегодня она широко принята биологами. Рисунок \ (\ PageIndex {3} \): Митохондрии, органеллы, специализированные для выполнения аэробного дыхания, содержат внутреннюю мембрану, свернутую в кристы, которые образуют два отдельных отсека: пространство внутренней мембраны и матрикс.В матрице имеет место цикл Кребса. Цепь переноса электронов встроена во внутреннюю мембрану и использует оба отсека для производства АТФ посредством хемиосмоса. Митохондрии имеют собственную ДНК и рибосомы, напоминающие таковые у прокариотических организмов.

Митохондриальные компартменты

Двойная мембранная природа митохондрий приводит к образованию пяти отдельных компартментов, каждый из которых играет важную роль в клеточном дыхании. Эти отсеки:

1. наружная митохондриальная мембрана,
2. межмембранное пространство (пространство между внешней и внутренней мембранами),
3. внутренняя митохондриальная мембрана,
4. крист (образованных складками внутренней мембраны) и
5. матрица (пространство внутри внутренней мембраны).

Эндоплазматическая сеть

Эндоплазматическая сеть (ER) (множественное число, ретикулумы) представляет собой сеть фосфолипидных мембран, которые образуют полые трубки, сплющенные листы и круглые мешочки. Эти уплощенные полые складки и мешочки называются цистернами и . ER выполняет две основные функции:

• Транспорт: Молекулы, такие как белки, могут перемещаться с места на место внутри ER, как по внутриклеточной магистрали.
• Синтез: Рибосомы, прикрепленные к ЭР, подобно неприсоединенным рибосомам, образуют белки.Липиды также производятся в ER.

Существует два типа эндоплазматической сети: грубая эндоплазматическая сеть (RER) и гладкая эндоплазматическая сеть (SER):

• Шероховатая эндоплазматическая сеть усеяна рибосомами, что придает ему «грубый» вид. Эти рибосомы производят белки, которые затем транспортируются из ER в небольших мешочках, называемых транспортными пузырьками. Транспортные везикулы защемляют концы ER. Грубый эндоплазматический ретикулум работает с аппаратом Гольджи, чтобы перемещать новые белки в их надлежащие места назначения в клетке.Мембрана RER непрерывна с внешним слоем ядерной оболочки.
• Гладкая эндоплазматическая сеть не имеет прикрепленных к ней рибосом, поэтому она имеет гладкий вид. SER выполняет множество различных функций, некоторые из которых включают синтез липидов, накопление ионов кальция и детоксикацию лекарств. Гладкая эндоплазматическая сеть присутствует как в животных, так и в растительных клетках и в каждой из них выполняет разные функции. SER состоит из канальцев и пузырьков, которые разветвляются, образуя сеть.В некоторых клетках есть расширенные области, такие как мешочки RER. Гладкая эндоплазматическая сеть и RER образуют взаимосвязанную сеть.

Аппарат Гольджи

Аппарат Гольджи (Рисунок \ (\ PageIndex {5} \)) — это большая органелла, которая обрабатывает белки и подготавливает их для использования как внутри, так и вне клетки. Он был обнаружен в 1898 году итальянским врачом Камилло Гольджи. Аппарат Гольджи модифицирует, сортирует и упаковывает различные вещества для выделения из клетки или для использования внутри клетки.Аппарат Гольджи находится рядом с ядром клетки, где он модифицирует белки, доставленные транспортными пузырьками из грубого эндоплазматического ретикулума. Он также участвует в транспортировке липидов по клетке. Кусочки мембраны Гольджи отщепляются, образуя пузырьки, которые переносят молекулы вокруг клетки. Аппарат Гольджи можно представить себе как почтовое отделение; он упаковывает и маркирует «предметы», а затем отправляет их в разные части ячейки. Аппарат Гольджи имеет тенденцию быть больше и многочисленнее в клетках, которые синтезируют и секретируют большие количества материалов; например, плазматические В-клетки и секретирующие антитела клетки иммунной системы имеют выраженные комплексы Гольджи.

Аппарат Гольджи управляет продуктами из грубого эндоплазматического ретикулума (ER), а также производит новые органеллы, называемые лизосомами. Белки и другие продукты ER отправляются в аппарат Гольджи, который организует, модифицирует, упаковывает и маркирует их. Некоторые из этих продуктов транспортируются в другие области клетки, а некоторые выводятся из клетки посредством экзоцитоза. Ферментные белки упакованы в новые лизосомы.

Стек из цистерн имеет четыре функциональных области: сеть цис-Гольджи, , медиальную сеть Гольджи, эндо-Гольджи и сеть транс-Гольджи. Пузырьки из ER сливаются с сетью и впоследствии проходят через стек от цис- к сети транс-Гольджи , где они упаковываются и отправляются к месту назначения. Каждая цистерна содержит особые ферменты Гольджи, которые модифицируют или помогают модифицировать белки, проходящие через нее. Белки можно модифицировать добавлением углеводной группы (гликозилирование) или фосфатной группы (фосфорилирование).Эти модификации могут формировать сигнальную последовательность на белке, которая определяет конечное предназначение белка. Например, добавление маннозо-6-фосфата сигнализирует белку о лизосомах.

Везикулы и вакуоли

Обе везикулы и вакуоли представляют собой мешкообразные органеллы, которые хранят и транспортируют материалы в клетке. Везикулы намного меньше вакуолей и выполняют самые разные функции. Везикулы, которые отщепляются от мембран ER и аппарата Гольджи, хранят и транспортируют молекулы белков и липидов.Вы можете увидеть пример транспортного пузырька этого типа на рисунке выше. Некоторые везикулы используются как камеры для биохимических реакций. Другие везикулы включают:

• Лизосомы, которые используют ферменты для разрушения инородных тел и мертвых клеток.
• Пероксисомы, которые используют кислород для расщепления ядов.
• Транспортные везикулы, переносят содержимое между органеллами, а также между внешней и внутренней частью клетки.

центриолей

Центриоли — органеллы, участвующие в делении клеток.Функция центриолей состоит в том, чтобы помочь организовать хромосомы до того, как произойдет деление клетки, чтобы каждая дочерняя клетка имела правильное количество хромосом после деления клетки. Центриоли встречаются только в клетках животных и располагаются вблизи ядра. Каждая центриоль состоит в основном из белка , тубулина . Центриоль имеет цилиндрическую форму и состоит из множества микротрубочек, как показано на модели, изображенной ниже.

Рибосомы

Рибосомы — это небольшие структуры, в которых образуются белки. Хотя они не заключены в мембрану, их часто считают органеллами. Каждая рибосома состоит из двух субъединиц, подобных той, которая изображена в верхней части этого раздела. Обе субъединицы состоят из белков и РНК. РНК из ядра несет генетический код, скопированный с ДНК, которая остается в ядре. В рибосоме генетический код РНК используется для сборки и соединения аминокислот для образования белков.Рибосомы можно найти по отдельности или группами в цитоплазме, а также на RER.

Обзор

1. Определите органеллу.
2. Опишите структуру и функцию ядра.
3. Объясните, как ядро, рибосомы, грубая эндоплазматическая сеть и аппарат Гольджи работают вместе, чтобы производить и транспортировать белки.
4. Почему митохондрии называют электростанциями клетки?
5. Какие роли играют везикулы и вакуоли?
6. Зачем всем клеткам нужны рибосомы, даже прокариотическим клеткам, лишенным ядра и других клеточных органелл?
7. Объясните эндосимбиотическую теорию применительно к митохондриям.Какое доказательство поддерживает эту теорию?
8. Лизосомы и пероксисомы относятся к типам:
   1. A. Органеллы
   2. B. Пузырьки
   3. C. Вакуоли
   4. D. И A, и B
9. Какая из следующих органелл лучше всего подходит для каждого описания функции? Выбирайте только одну органеллу для каждого ответа: аппарат Гольджи, центриоли, ядрышко, ядро, шероховатый эндоплазматический ретикулум.
   1. а.Содержит генетические инструкции по производству белков
   2. г. Организует хромосомы до деления клетки
   3. г. Обеспечивает основу для рибосом
   4. г. Пакеты и этикетки белки
   5. e. Собирает рибосомы
10. Верно или неверно. Все эукариотические клетки имеют ядро.
11. Верно или неверно. Внешняя поверхность ядра эукариотической клетки не полностью твердая.

Органелла: определение, функция, типы и примеры

Органелла Определение

Термин «органелла» происходит от слова «орган» и относится к компартментам внутри клетки, которые выполняют определенную функцию. Эти компартменты обычно изолированы от остальной цитоплазмы через внутриклеточные мембраны. Эти мембраны могут быть похожи на плазматическую мембрану или состоять из другого набора липидов и белков. Свойства мембраны связаны с ее происхождением, например, с митохондриями или пластидами, или с ее специфической функцией, как это видно на ядерной мембране.Некоторые органеллы не связаны с мембраной и представляют собой большие комплексы, состоящие из РНК и белка, такие как рибосомы.

На изображениях ниже представлены клетки растений, животных и бактерий, на которых видны общие органеллы.

При создании органелл клетки сталкиваются с тремя основными проблемами. Первый — это формирование и созревание основных строительных блоков органеллы. Это включает мембрану, связанные с ней макромолекулы и цитоскелетный аппарат, который формирует органеллы.Кроме того, органелла должна содержать нужные химические вещества — белки, аминокислоты, липиды, углеводы или их мономеры, а также кофакторы, ферменты и сигнальные молекулы. Эти молекулы должны специфично и часто активно транспортироваться в эти субклеточные компартменты. Наконец, органеллы необходимо поддерживать на протяжении всей жизни клетки и точно разделять во время деления клетки. Существует ряд различных стратегий, используемых клетками всего живого мира для выполнения этих задач.

Различные типы клеток часто имеют преобладание определенных органелл в зависимости от их основной роли в организме. Например, клетки паренхимы листьев полны хлоропластов, а клетки, образующие корень, часто лишены этой органеллы. Активный одноклеточный организм, такой как парамеций, может иметь быстро меняющуюся вакуоль. Клетки, участвующие в секреции белка, обычно имеют хорошо развитую сеть Гольджи и заметный грубый эндоплазматический ретикулум.

Примеры органелл

В эукариотических организмах почти каждая клетка имеет ядро ​​(за исключением эритроцитов млекопитающих).Другими распространенными органеллами являются митохондрии, пластиды (среди автотрофов), эндоплазматическая сеть, аппарат Гольджи, лизосомы и вакуоли. Некоторые особые клетки, такие как нейроны, также содержат синаптические пузырьки. Все эти структуры связаны с мембраной. Макромолекулярные комплексы, такие как рибосомы, сплайсосомы, центриоли и центросомы, не окружены мембраной, но являются важными органеллами в большинстве клеток, выполняя жизненно важные функции, такие как организация цитоскелета, синтез белков и обработка РНК.

Бактерии содержат органеллы, связанные как с белками, так и с липидами. Они могут быть сделаны из простой однослойной мембраны (например, карбоксисомы) или из бислоя (магнитосомы). Органеллы прокариот сейчас изучаются более широко, особенно с появлением более совершенных экспериментальных инструментов.

Типы органелл

Органеллы можно классифицировать по разным причинам. Самая простая классификация основана на их происхождении: присутствуют ли они в прокариотах или эукариотах.В то время как многие важные биохимические пути между этими двумя клеточными линиями имеют общее происхождение, сложный план клеток отличает большинство эукариотических клеток. Происхождение этого особого вида сложности малоизвестно. Эукариоты способны осуществлять точно регулируемые цепочки биохимических реакций, прежде всего благодаря своей способности иметь субклеточную специализацию. Кроме того, наличие органелл, которые могут генерировать АТФ, также обеспечивает энергию для запуска этих метаболических реакций и поддержания более крупной клетки.С другой стороны, прокариотический генетический материал расположен в полуорганизованных областях, называемых нуклеоидами, которые обычно рассматриваются как часть цитоплазмы, которая содержит большую часть генетического материала клетки. Магнитосомы — это еще один вид прокариотических органелл, которые практически уникальны тем, что связаны липидным бислоем. Эти структуры образованы актиноподобными структурами цитоскелета, которые участвуют в формировании и размещении органелл внутри клетки.

Однако эта упрощенная классификация иногда сталкивается с трудностями, особенно с такими структурами, как митохондрии или хлоропласты, которые считаются древними эндосимбионтами.Однако, как правило, прокариотические органеллы часто проще с меньшей сложностью с точки зрения химического состава и структуры мембраны.

Даже внутри эукариотических клеток наличие и природа мембраны вокруг субклеточного компартмента является обычным методом классификации. В то время как основные компартменты, такие как лизосомы и эндоплазматический ретикулум, связаны липидным бислоем, многие важные, но более мелкие органеллы свободно взаимодействуют с цитоплазматической средой. Эти органеллы не заполнены жидкостью, а представляют собой твердые массы белков, РНК или того и другого.Рибосомы и сплайсосомы являются обычными примерами органелл, которые не связаны с мембраной. Некоторые люди относят к этой категории также клеточные стенки растений и бактерий, поскольку они созданы в основном из целлюлозы. Однако он расположен за пределами клеточной мембраны и поэтому не может считаться внутриклеточной структурой.

Наконец, некоторые органеллы могут воспроизводиться независимо от клеточного цикла, потому что они содержат свой собственный генетический материал. Здесь особое значение имеют пластиды и митохондрии.Однако, хотя они воспроизводятся, даже когда клетка находится в фазе G0, им необходимо импортировать большую часть аппарата дупликации из цитоплазмы, тем самым делая их тесно связанными с потребностями клетки. Митохондрии и хлоропласты содержат уникальный генетический материал, независимый от остальной части ядра, и во многих случаях их количество в клетке может изменяться. Например, мышечные волокна, которым требуется повышенная потребность в АТФ, часто реагируют увеличением количества митохондрий в клетке.Растения и другие автотрофы могут демонстрировать сходные адаптации с хлоропластами.

Функции органелл

Активность отдельной клетки отражает активность организма. Клетка поглощает питательные вещества, переваривает и трансформирует их, метаболизирует с образованием более крупных молекул, дышит и выделяет отходы. Большинство клеток даже вносят свой вклад в поддержание внеклеточной среды, в отличие от существования многих видов в социальных структурах.

Nutrition

Одноклеточные организмы поглощают пищу в виде крупных частиц из окружающей среды и подвергаются внутриклеточному перевариванию.Для этого необходимо присутствие органелл, таких как пищевые вакуоли или фагосомы и лизосомы, переносящие пищеварительные ферменты. Для многоклеточных организмов некоторые специализированные структуры доставляют питательные вещества в клетку, которая затем забирает их в большом количестве или через специальные транспортеры. У большинства крупных животных пищеварительная система заботится о приеме пищи и расщеплении пищи на мономерные единицы, такие как глюкоза и аминокислоты. Ферменты, необходимые для этого процесса, синтезируются на шероховатом эндоплазматическом ретикулуме и секретируются через сеть Гольджи.Переваренная пища доставляется в каждую клетку через систему кровообращения, которая затем обеспечивает пассивный транспорт или использует энергию для активного поглощения питательных веществ.

Транспорт

Внутриклеточный транспорт часто управляется через перекрещивающиеся филаменты цитоскелета, которые действуют как коридоры. Эти нити образуют серию путей, которые позиционируют органеллы и транспортируют материалы. В этой деятельности им помогают моторные белки, которые обычно содержат два домена: один для взаимодействия с грузом, а другой для навигации по филаменту цитоскелета.Например, большинство нейронов содержат длинный аксон, который проводит электрические импульсы по своей длине. Синаптические везикулы, содержащие нейротрансмиттеры, часто заполняют конец аксона и необходимы для передачи электрического сигнала от одного нейрона к следующему в синапсе. Компоненты этих пузырьков перемещаются к синапсу по пути, создаваемому микротрубочками. Моторные белки, называемые кинезинами, обеспечивают их движение. Другие материалы, такие как ферменты или пептидные гормоны, транспортируются через сеть Транс Гольджи для использования клеткой или высвобождения посредством экзоцитоза.

Наиболее драматические события внутриклеточного транспорта происходят во время деления клеток. Хромосомы точно разделяются и транспортируются к противоположным полюсам клетки через сложный и строго регулируемый клеточный механизм. Это включает центросомы, динамическое расположение микротрубочек и множественные изменения в структуре хромосом.

Переваривание

Лизосомы — это основные структуры, участвующие во внутриклеточном пищеварении. Они содержат ряд гидролитических ферментов, которые активируются кислым pH этих органелл.Эти ферменты синтезируются в неактивных формах в цитоплазме перед транспортировкой в ​​органеллы через трансмембранные каналы. Лизосомы могут сливаться с другими органеллами, такими как фагосомы, для массового переваривания. Это также играет важную роль в иммунитете, когда патогенные микроорганизмы попадают в клетки иммунной системы и уничтожаются под действием мощных гидролитических ферментов.

Генерация АТФ

Гетеротрофы часто полагаются на митохрондрии для аэробного дыхания и генерации АТФ.Автотрофы направляют энергию солнечного излучения или других химических процессов для создания высокоэнергетических связей в АТФ. Мембранные структуры обеих этих органелл важны для генерации АТФ.

Контроль и регулирование

Крупные сложные организмы должны использовать нервную систему и эндокринную систему для поддержания гомеостаза. Внутри клетки наиболее важной органеллой для контроля и регулирования является ядро. Клетки получают информацию о внешней среде через сложные сигнальные каскады, которые часто приводят к изменениям в их РНК или содержании белка.Следовательно, ядерная среда строго регулируется, и импорт и экспорт материалов через ядерную оболочку является важным процессом для клетки. Ядерная мембрана имеет ряд специальных структур, называемых ядерными порами, а транспортные белки, называемые импортином, и экспортином, опосредуют вход и выход макромолекул. Эти макромолекулы могут вызывать активацию определенного гена, влиять на сплайсинг РНК, сигнализировать о начале деления клетки или даже запускать процесс апоптоза.

• Апоптоз — Запрограммированная гибель клеток, которая происходит в многоклеточных организмах, которой предшествуют отчетливые изменения морфологии и биохимии клетки. Часто встречается во время развития, а также используется для предотвращения болезней.
• Эндосимбионты — Организмы, обитающие внутри других организмов.
• Моторные белки — Белки, которые функционируют как молекулярные моторы, преобразующие химическую энергию в механическую при движении по подходящей поверхности.
• Повышающая регуляция — В генетике означает увеличение количества транскриптов РНК, продуцируемых геном. Также может относиться к увеличению количества рецепторов на поверхности клетки.

Тест

1. Что из этого является функцией митохондрий?
A. Генерация АТФ и GTP
B. Деление клеток
C. Передача ядерного генетического материала
D. Все вышеперечисленное

Ответ на вопрос № 1

A является верный.И АТФ, и ГТФ могут генерироваться во время цикла Креба в митохондриях. Хотя митохондрии могут дублироваться внутри клетки, их основная функция — не участвовать в процессе деления клетки. Точно так же, хотя передача ядерного генетического материала является энергоемким процессом, неразумно вовлекать митохондрии в этот процесс.

2. Какое из этих утверждений относительно внутриклеточного транспорта верно?
A. Моторные белки, называемые кинезинами, переносят синаптические пузырьки по актиновому пути
B. Центросомы играют важную роль в сегрегации хромосом во время деления клеток
C. Гладкая эндоплазматическая сеть участвует в синтезе и секреции белков
D. Все вышеперечисленное

Ответ на вопрос № 2

3. Почему необходимо жестко регулировать ядерный импорт и экспорт?
A. Может влиять на экспрессию гена
B. Может вызывать деление клеток или апоптоз
C. Может изменять содержание белка в клетке
D. Все вышеперечисленное

Ответ на вопрос № 3

Cell Organelle — обзор

I Введение

Внутри клеток органеллы располагаются в нужном месте в нужное время. Микротрубочки играют критическую роль в перемещении и позиционировании органелл в эукариотических клетках (Alberts et al. , 2008). Когда микротрубочки разрушаются медикаментозным лечением, положение органелл дезорганизуется (Wordeman et al. , 1986). Микротрубочки представляют собой цилиндрические структуры на основе белков диаметром 25 нм, расположенные внутри клетки.Среди основных филаментов цитоскелета (т.е. актиновых филаментов, промежуточных филаментов и микротрубочек) микротрубочки являются самыми толстыми и самыми жесткими (Howard, 2001). Микротрубочки — это полимеры, состоящие из чередующихся мономеров α- и β-тубулина, которые обычно функционируют с различными дополнительными белками. Эти вспомогательные белки модулируют зарождение, полимеризацию и образование пучков микротрубочек (Alberts et al. , 2008). Моторные белки представляют собой важный класс вспомогательных белков, которые скользят по микротрубочкам и генерируют силы для перемещения органелл (Howard, 2001).Микротрубочки динамически изменяют свою длину за счет полимеризации и деполимеризации, и эти процессы также генерируют силы (Howard, 2001).

Внутриклеточное расположение центросом является основной мишенью для организации, опосредованной микротрубочками. Центросома является основным центром организации микротрубочек в животной клетке (Kellogg et al. , 1994). Микротрубочки растут от центросом и сжимаются по направлению к центросомам, а их минус-конец связан с центросомами. Расположение центросом является критическим для определения положения органелл, потому что многие мембраносвязанные органеллы транспортируются по микротрубочкам (Hirokawa, 1998).Расположение ядра и митотического веретена определяется расположением центросом более прямым способом (Pearson and Bloom, 2004; Reinsch and Gönczy, 1998). Центросомы в большинстве случаев связаны с ядром, а центросомы определяют полюса митотических веретен в клетках животных.

Чтобы понять механическую основу опосредованного микротрубочками позиционирования органелл, нам сначала нужно оценить силы, которые производят микротрубочки, а затем нам нужно оценить, могут ли оценки силы объяснить расположение органелл.Численное моделирование и симуляции эффективны при оценке поведения органелл при различных гипотезах. Численное моделирование широко используется для анализа механических основ поведения шпинделя. На основе молекулярного и биофизического понимания двигателей и динамической нестабильности микротрубочек силы, действующие на веретено, были рассчитаны и сопоставлены с таковыми на реальном веретене (Dumont and Mitchison, 2009; Mogilner et al. , 2006 ). Исследования веретен с использованием экстрактов яиц Xenopus предлагают качественные количественные данные, подходящие для численного моделирования (Burbank et al., 2007). Эмбрионы и культивируемые клетки Drosophila также оказались эффективными системами для изучения веретен, поскольку они предоставили достаточно количественных данных для численного моделирования (Brust-Mascher et al. , 2004; Cytrynbaum et al. , 2003; Гошима и др. , 2005b). Nédélec и соавторы разработали Cytosim, вычислительную структуру, используемую для моделирования движений объектов внутри клеток на основе цитоскелета (Nédélec, 2002; Nédélec and Foethke, 2007).Этот сложный симулятор оказался успешным в объяснении различных процессов, опосредованных микротрубочками, таких как организация микротрубочек, формирование веретена и движения веретена в нескольких системах (Foethke et al. , 2009; Goshima et al. , 2005a; Janson et al. др. , 2007; Козловский и др. , 2007). Численные модели стали почти незаменимыми для изучения функции веретена (Goshima and Kimura, 2010; Mogilner et al. , 2006).

Эмбрион Caenorhabditis elegans — еще одна мощная система для изучения процессов, основанных на микротрубочках.Асимметричное расположение митотического веретена и сопутствующие колебания веретена широко изучаются с помощью численного моделирования. Гриль и его коллеги использовали элегантную математику и моделирование, чтобы вывести механизм генерирования силы, лежащий в основе колебательных движений шпинделя (Гриль и др. , 2001, 2005; Pecreaux и др. , 2006). Cytosim также применялся для изучения колебаний веретена (Kozlowski et al. , 2007). Наша группа исследовала родственные, но разные микротрубочки-зависимые процессы у C.elegans , а именно центрирование пронуклеусов и центросом (Fig. 1) (Kimura and Onami, 2005), репозиционирование веретена (Kimura and Onami, 2007) и удлинение веретена (Hara and Kimura, 2009).

Рис. 1. Зависимое от микротрубочек движение пронуклеусов у эмбрионов C. elegans . На левой панели показаны изображения микроскопии Номарского [дифференциальный интерференционный контраст (ДИК)]. Гладкие участки цитоплазмы соответствуют мужскому (правый кружок) и женскому (левый кружок) пронуклеусам.Правая панель показывает изображения конфокальной микроскопии, визуализирующие тубулин-GFP. Сигналы нитчатых микротрубочек выходят наружу от двух ярких пятен центросомы. Обратите внимание, что левая и правая панели взяты из разных эмбрионов. Пруток, 10 мкм.

В общем, одна из основных целей моделирования — проверка различных гипотез. Поэтому важно максимально упростить любую модель, чтобы прояснить причинно-следственную связь между входом и выходом модели (Phillips et al., 2009 г.). В этой главе мы описываем численную модель, которую мы построили для моделирования сил на основе микротрубочек у эмбрионов C. elegans (Hara and Kimura, 2009; Kimura and Onami, 2005, 2007). Чтобы изучить общие черты и различия между исследованиями моделирования, мы сравниваем наши предположения и параметры с таковыми из других опубликованных моделей процессов на основе микротрубочек у эмбрионов C. elegans (Kozlowski et al. , 2007; Pecreaux et al. ). , 2006).

Совместное движение астральных микротрубочек, органелл и F-актина под действием динеина и актомиозина в цитоплазме яйца лягушки

Существенные изменения:

1) Авторам необходимо предоставить более ясную биофизическую картину, подтверждающую их модель происхождения сил для движений звездочек, являющихся зависимыми от динеина движением пузырьков на периферии звездочек. Следует попытаться предоставить более количественную модель, чтобы более убедительно поддержать утверждение авторов.Например, что модель авторов предсказывает скорость движения астры по мере роста астры? Можно ли ожидать увеличения скорости движения астры вследствие увеличения ее поверхности со временем? Согласуется ли предсказание модели с экспериментальными данными? Чем это отличается от модели, в которой сила создается по всей звезде? Ожидается ли различное масштабирование для разных типов моделей с разными механизмами генерации силы, которые могут помочь различать модели?

В предыдущем материале мы предположили, что астры позиционируются поверхностными силами, и даже поместили этот вывод в заголовок.Мы согласны с рецензентами, что наши данные не подтверждают эту точку зрения. Как резюмировано выше, в отредактированной рукописи мы подчеркиваем потоки, которые мы измерили, и не акцентируем внимание на силах, которые мы только предполагали. Это серьезное изменение в ответ на рецензирование было реализовано на протяжении всего документа, начиная с заголовка. В Обсуждении мы по-прежнему обсуждаем гипотезу о том, что тянущие силы действуют главным образом на периферию звезды, но теперь мы используем язык, который ясно представляет это как одну из возможных интерпретаций данных.В настоящее время мы разрабатываем формальные механические модели движения астры, в которых силы и напряжения, действующие на астральные МТ, заставляют астру двигаться, а также деформироваться, используя гидродинамические теории активных гелей. Для описания этих моделей требуется несколько фигур, и они еще не полностью разработаны. Мы считаем, что они выходят за рамки данной статьи.

2) «Мы не наблюдали никакого движения органелл наружу, когда динеин ингибировался с помощью CC1, поэтому динеин является доминирующим двигателем микротрубочек у яичных астр.»- но что интересно, на видео 13 можно увидеть значительное возвратно-поступательное движение частиц в канале ДВС, что указывает на перетягивание каната динеина и кинезинов или миозинов; когда f-актин фрагментирован, миозины не могут действовать как разрывается, тем самым обеспечивая объяснение более быстрого движения органелл. Похоже, эксперимент с шариками (искусственным грузом) поддерживает идею перетягивания каната, поскольку шарики задействуют только динеин и неуклонно движутся к MTOC, в то время как органеллы могут привлекать разные двигателей и после прохождения надводной поверхности астры, попадание в ситуацию перетягивания каната.Таким образом, оправдано заключение, что динеин является доминирующим двигателем органелл? Также должно быть лучше различие, по крайней мере в Обсуждении, между силами сопротивления, вызванными плотностью сетки (например, f-актином), и эффективной вязкостью из-за переходных взаимодействий динеин-противодействующих двигателей, действующих как разрывы. Эксперимент с шариками, кажется, предполагает, что нет никакой разницы в вязкости на основе сетки между поверхностью звезды и внутренней частью, поскольку скорость шарика примерно постоянна.

Этот комментарий отражает несколько вопросов о транспорте ER в нашей системе, включая детали движения, отмеченные рецензентами, которые мы не комментировали, а также различия между тем, что мы сообщаем, и предыдущими статьями, в которых сообщалось о перемещении ER за счет кинезина и отслеживания кончиков.Чтобы ответить на эти вопросы, мы добавили новые данные (рисунок 3 — приложение к рисунку 1), дополнительный анализ существующих данных (новые панели на рисунке 1 — приложение к рисунку 1) и новые параграфы в разделе «Результаты и обсуждение».

Мы подозревали, что наша неспособность обнаружить движение ER в астрах было связано с тем, что мы полагались на получение изображений с низким увеличением (обычно с 20-кратным увеличением), которое имеет тенденцию к усреднению движения в пространстве и во времени. Новые данные и отчет об анализе последовательностей изображений, собранных с помощью конфокального микроскопа с вращающимся диском с 60-кратным увеличением, который раскрывает детали движения ER на короткой длине и в временных масштабах, усредненных в видео с 20-кратным увеличением.Пересмотренный рисунок 1 — дополнение к рисунку 1 и новый рисунок 3 — дополнение к рисунку 1 показывают быстрое двунаправленное движение и деформацию ER, которые могут указывать на перетягивание каната между двигателями и которое мы называем «скачкообразным движением» в соответствии с литературой. Чтобы визуализировать скачкообразное движение ER относительно астральных MT, мы разработали новый радиальный анализ кимографа, выполняемый во вращающейся системе отсчета, которая дрейфует со средним потоком ER, оцененным с помощью PIV (Рисунок 1 — приложение к рисунку 1B). Чтобы показать тангенциальное совместное движение MT, ER и F-актина, мы выполнили новый анализ тангенциального кимографа (рисунок 1 — приложение к рисунку 1C).Мы также повторили PIV-анализ для видео с большим увеличением, в котором все сети отслеживались вместе, как в видео с 20-кратным увеличением (Рисунок 3 — рисунок в приложении 1C). Чтобы связать примеры скачкообразного движения в меньших масштабах с чистым переносом органелл в более крупных масштабах, мы считаем наш анализ массового переноса особенно важным (рисунок 7, рисунок 7 — дополнение к рисунку 1, рисунок 7 — приложение к рисунку 2). В статьях о движении органелл в экстракте яиц основное внимание уделяется подмножествам движущихся органелл, и они в значительной степени игнорируют стационарные популяции.Наш новый анализ массового переноса количественно учитывает как движущиеся, так и неподвижные органеллы. Сравнивая высокое и низкое пространственно-временное разрешение, мы смогли определить, что быстрое скачкообразное движение было обычным явлением, но не вызывало значительного переноса массы от MTOC. В более крупных масштабах ER либо движется внутрь, либо остается неподвижным, даже когда динеин ингибируется.

Что касается доминирования динеина в нашей системе, наш вывод был основан на преимущественно внутреннем транспорте при 20-кратном увеличении и прекращении транспорта органелл при ингибировании динеина.Мы придерживаемся нашего вывода после добавления нового анализа с большим увеличением. Наше наблюдение о том, что динеин доминирует в транспорте органелл в нашей системе, согласуется с предыдущими сообщениями, особенно с хорошей статьей 1999 г., опубликованной Lane et al. В этом исследовании Лейн и Аллен пришли к выводу, что динеин является доминирующим двигателем ER в экстрактах яиц Xenopus , приготовленных из неоплодотворенных яиц, и что кинезин неактивен, по крайней мере, до пятой интерфазы после оплодотворения. Мы добавили в Обсуждение:

«Мы не наблюдали значительного массового переноса от MTOC с помощью кинезинов или слежения за кончиком, когда динеин был ингибирован, что является аргументом против противоположных двигателей.Преобладание динеина в качестве моторной органеллы в яйцах Xenopus согласуется с предыдущими исследованиями с использованием ДИК-визуализации с большим увеличением (Lane et al., 1999) ».

Что касается возможных изменений вязкости внутри астры, мы согласны с тем, что постоянная скорость шариков, покрытых динеином, может указывать на постоянную эффективную вязкость, которая примерно в 3,5 раза выше, когда присутствует F-актин. Роль обмена MT и F-actin сети в разрешении транспорта гранул остается неясной. Чтобы интерпретировать прекращение транспорта органелл внутри астры, мы предпочитаем модели, в которых немоторные «тормозные» белки взаимодействуют с органеллами, а не изменения вязкости.Мы изменили обсуждение, чтобы более четко отразить эту гипотезу. Известно несколько кандидатов в тормозные белки ER, и мы планируем протестировать их в будущем. Тем не менее, мы не можем исключить возможность того, что более запутанная форма ER делает его более чувствительным, чем шарики, к стерическому или гидродинамическому сопротивлению от астральных МТ.

3) Авторы количественно определяют движение астры в экстракте яиц в кластерах, содержащих много астры, с очевидным взаимодействием между различными астрами. Это усложняет интерпретацию данных, поскольку на каждую измеренную пару звездочек действует несколько внешних сил, которые имеют сильное влияние, которое игнорируется.Могут ли авторы исключить, что рост звездочки и толчок звездочки, происходящие из перекрывающихся регионов, богатых CPC, вызывают / способствуют перемещению звезд. В этом сценарии dynein может просто способствовать удержанию вместе всех сетей, которые движутся вместе, а другие двигатели микротрубочек могут быть ответственны за отталкивание звезд. Движение пузырьков на периферии астры будет тогда «следствием», а не «причиной» движения астры в области, где различные сети могут быть не такими сшитыми / такими плотными, как в более центральных областях астры.Эксперименты по лазерной резке могут проверить эту «выдвигающую гипотезу». Эксперименты по лазерной резке (без и с ингибированием динеина) также могут проверить существование зависимых от динеина стрессов внутри астры, которые, по прогнозам авторов, существуют. Это может поддержать важный элемент авторской модели. Анализ перемещений звезд с разным количеством соседних звезд в более или менее «плотных звездочками» областях экстракта может быть альтернативным подходом для проверки альтернативной гипотезы о толкающих силах, играющих критическую роль в движениях взаимосвязанных звезд.Без таких дополнительных доказательств текущая модель авторов остается довольно спекулятивной, а некоторые утверждения не полностью подтверждаются данными.

Благодарим и соглашаемся с рецензентами. Наши доказательства в пользу вытягивания и выталкивания полностью основаны на молекулярном ингибировании в случае раздвижения звездочек на пассивированных поверхностях и на расположении динеина в случае скольжения звездочек по покрытым динеином поверхностям. В частности, одновременное ингибирование динеина с помощью CC1 и фрагментация F-актина с помощью цитохалазина D вызывало почти полную блокировку движения астры в обеих системах.Лазерная резка и магнитный пинцет — хорошие предложения, но у нас нет оборудования для этого, и мы также отмечаем, что рукопись уже длинная.

4) Как ожидается, что различные граничные условия в «закрытых» яйцеклетках и «открытом» экстракте яиц повлияют на наблюдаемую динамику? Учитывая несжимаемость цитозоля, как можно ожидать, что движения звездочек и особенно цитозольные потоки будут различаться между экстрактом и яйцеклеткой? Будет полезно более подробное обсуждение того, как результаты, полученные из экстракта, применяются к ситуации в ячейке с границей.

Благодарим и соглашаемся с рецензентами. В ответ мы добавили новые экспериментальные данные и анализы на новый рисунок 5 — приложение к рисунку 2. Даже в экстрактах яиц с открытыми граничными условиями везикулы, видимые в ДВС, проявляли седловидные поля потока по отношению к разделяющим звездочкам: разделяющие звездочки адвентировали их. пузырьки перпендикулярны средней зоне и от середины между звездочками, тогда как пузырьки вдоль средней зоны текли к середине между звездочками.Этот последний поток может соответствовать несжимаемости цитозоля. Мы добавили новый абзац в Результаты:

«Если разделение звезд на пассивированных покровных стеклах также адвектирует цитозоль, мы ожидаем, что они будут генерировать гидродинамические силы и компенсаторные потоки за пределами звезд. […] Мы действительно наблюдали внутренний поток вдоль зоны взаимодействия (Рисунок 5 — рисунок в приложении 2) », и мы повторили это в Обсуждении, где мы описываем Рисунок 9. Подобные компенсирующие потоки также описаны в легенде Видео 2.

В яйцах с закрытыми граничными условиями мы предполагаем аналогичные седловидные поля течения, смещенные вокруг разделяющих звездочек и в среднюю зону между ними. При пересмотре карикатурной модели в конце рукописи мы явно привлекаем эти гипотетические потоки с целью стимулирования новых экспериментов в системах, где яйцо прозрачно.

Этот комментарий рецензента освещает связанный с этим вопрос: как цитоплазматические сети перемещаются относительно друг друга после того, как астральные МТ заполняют клетку? Эта ситуация особенно актуальна для клеток меньшего размера, но также актуальна для более поздних стадий разделения звездочек в более крупных клетках.Хотя совместное движение, вероятно, прерывается, по крайней мере, где-то после того, как астральные МТ заполняют клетку, развитое здесь представление об астрах как о деформируемом и пористом геле все же может служить полезной основой. Когда астральные МТ заполняют клетку, подробные вязкие, упругие и пороупругие свойства звезд могут иметь значение, и необходимы дальнейшие эксперименты и моделирование.

Детали ячеек | Спросите у биолога