Внутреннее строение клетки на примере нейрона

Что именно в строении нейрона определяет его удивительную способность принимать, обрабатывать, сохранять и передавать практически безграничные объемы информации? Чтобы ответить на этот вопрос, нам следует заглянуть внутрь нейрона и узнать, какие функции выполняют его компоненты. Несмотря на крошечные размеры, под электронным микроскопом внутри нейрона становятся видны сотни взаимосвязанных компонентов, которые выполняют всю работу этой клетки.

Структуру и функции клетки в значительной мере определяют белки. Внутри каждой клетки происходит синтез тысяч белков, которые служат для нее строительным материалом и участвуют в процессах коммуникации с другими клетками. С белками связаны формирование воспоминаний, нарушение функции нейрона и восстановление функции после черепно-мозговой травмы. В этом разделе мы расскажем, как разные компоненты клетки участвуют в синтезе белков, рассмотрим, что такое белок, и подробно опишем некоторые функции белков.

Из этой и последующих статьи на сайте вы узнаете, что вода, соли и ионы играют важную роль в поддержании жизнедеятельности клетки. Если вы уже имеете представление о структуре воды и знаете, что такое соли и ионы, продолжайте читать. Если вы решите сначала освежить свои познания в области химии, обратитесь к отдельной статье на сайте «Основы: Введение в химию» - просим пользоваться формой поиска выше.

а) Клетка как фабрика. В отдельной статье на сайте мы сравнили клетку с миниатюрной фабрикой, слаженная работа подразделений которой обеспечивает производство и доставку продукции — белков. Прежде чем перейти к обсуждению компонентов клетки (органелл) и их функций, проведем краткий обзор внутреннего строения клетки.

На рисунке 1 приведена схема внешнего и внутреннего строения нейрональной клетки. Фабричная ограда отделяет территорию фабрики от внешнего мира и обеспечивает определенную защиту. Аналогичным образом двухслойная внешняя оболочка, называемая мембраной, отделяет содержимое клетки от внешней среды, а также контролирует движение веществ, входящих и выходящих из клетки.

Рисунок 1. Типичный нейрон. На схеме внешнего и внутреннего строения нейрона видны особенности его поверхности и расположенные внутри органеллы

Клеточная мембрана, в которую упакован нейрон, обеспечивает формирование тела клетки, дендритов и дендритных шипиков, а также аксонов и терминалей. Таким образом, мембрана формирует границы клетки. Благодаря избирательной проницаемости клеточной мембраны очень немногие вещества могут спонтанно проникнуть внутрь клетки или покинуть ее.

Некоторые синтезируемые клеткой белки встраиваются в клеточную мембрану, обеспечивая транспорт различных веществ в клетку и из клетки. Такие белки можно сравнить с фабричной проходной.

Хотя кажется, что нейроны и клетки расположены очень близко друг к другу, как и другие клетки в организме, в действительности они разделены внеклеточной жидкостью, которая представляет собой водный раствор солей и других веществ. Похожая на нее внутриклеточная жидкость заполняет пространство клетки. Разные концентрации веществ во внутриклеточной и внеклеточной жидкостях обусловлены избирательной проницаемостью клеточной мембраны.

P.S. В ЦНС внеклеточная жидкость — это спинномозговая жидкость.

Некоторые органеллы изображенной на рис. 9 клетки также окружены мембранами. Они напоминают цеха, разделенные внутренними стенами фабрики. Мембрана каждой из органелл тоже обладает избирательной проницаемостью, она пропускает внутрь нужные химические вещества и не пропускает ненужные.

Ядерная мембрана окружает ядро клетки. Ядро отвечает за хранение, копирование и отправку в «производственный цех» {эндоплазматический ретикулум, ЭР) «генетических чертежей» белков. ЭР составляет единое целое с ядерной мембраной. Здесь происходит сборка белков клетки в соответствии с поступающими из ядра инструкциями. После сборки и упаковки белки отправляются в разные области клетки. Аппарат Гольджи представляет собой своеобразное «почтовое отделение», где белки упаковывают и отправляют адресатам.

Другие компоненты клетки представляют собой трубочки разных типов. Некоторые из них (микрофиламенты) отвечают за поддержание формы, а другие (микротрубочки) — за движения в клетке. Микротрубочки, подобно дорогам, по которым грузовики и вилочные погрузчики доставляют товары к месту назначения, обеспечивают транспортировку белков в разные области клетки.

Два важнейших подразделения клеточной фабрики, представленные на рис. 1, — это митохондрии, так называемые энергетические станции клетки, и лизосомы — пузырьки, которые отвечают за транспорт поступающих в клетку питательных веществ и утилизацию продуктов жизнедеятельности. Интересно, что в более старых клетках лизосом больше, чем в молодых. Как и наше общество, клетки определенно испытывают трудности с утилизацией отходов.

б) Клеточная мембрана — барьер и привратник. Клеточная мембрана отделяет внутриклеточную жидкость от внеклеточной, благодаря чему клетка имеет возможность функционировать как независимая единица. Двуслойное строение мембраны (рис. 2) позволяет регулировать транспорт веществ, в том числе воды, в клетку и из клетки. Если в клетку попадет слишком много воды, она разорвется; если слишком много воды утечет из клетки, то клетка сморщится. Структура клеточной мембраны позволяет этого не допускать.

Клеточная мембрана регулирует концентрации солей и других химических веществ внутри клетки и за ее пределами. Такая регуляция очень важна, так как в случае дисбаланса концентраций клетка не сможет нормально функционировать. Какие свойства клеточной мембраны позволяют ей регулировать концентрации солей? Первое свойство — это специфическая молекулярная структура. Структура молекул фосфолипидов изображена на рис. 2.

На рисунке 2 представлена пространственная структура молекулы фосфолипида. У каждой молекулы есть «головка», содержащая связанный с рядом других атомов атом фосфора (Р), и два липидных «хвоста», представляющих собой остатки жирных кислот. Подобно молекуле воды «головка» является полярной, с положительным зарядом с одной стороны и отрицательным — с другой. «Хвост» состоит из атомов водорода и углерода, тесно связанных друг с другом за счет общих электронов. Таким образом, «хвост» не содержит полярных участков.

Рисунок 2. Двуслойная структура клеточной мембраны. А. Внутреннее строение двуслойной клеточной мембраны. Б. Молекула фосфолипида с полярной «головкой» и неполярным «хвостом». В. Пространственная структура молекулы фосфолипида, которая показывает, почему полярная «головка» (с положительно и отрицательно заряженными группами) является гидрофильной, а неполярный «хвост», образованный остатком жирной кислоты, является гидрофобным

Именно благодаря наличию полярной «головки» и неполярных «хвостов» молекулы фосфолипидов могут образовывать клеточные мембраны. «Головки» являются гидрофильными (от греч. hy-dor — вода, и philleo — любить), они притягиваются друг к другу и к полярным молекулам воды. Неполярные липидные «хвосты» обладают отрицательным сродством к воде, то есть являются гидрофобными (от греч. phobos — страх).

Можно сказать, что «головка» фосфолипида любит воду, а «хвосты» ее ненавидят. Чтобы избежать контакта с водой, «хвосты» фосфолипидов выстраиваются в линию друг против друга, а гидрофильные «головки» разворачиваются в сторону внутриклеточной и внеклеточной жидкостей. Таким образом, клеточная мембрана представляет собой бислой (двойной слой) молекул фосфолипидов (см. рис. 2).

Несмотря на то что двуслойная клеточная мембрана представляет собой надежный защитный барьер, способный не пропустить множество веществ, она обладает гибкостью. Мембрана непроницаема для находящейся внутри и снаружи клетки воды, поскольку полярные молекулы воды не способны пробраться между гидрофобными фосфолипидными «хвостами» внутри мембраны.

Содержащиеся во внеклеточной и внутриклеточной жидкостях ионы также не проникают сквозь мембрану — они несут заряд и потому не могут пробраться между полярными «головами» фосфолипидных молекул. В действительности фосфолипидный бислой способен пропускать только некоторые некрупные молекулы, такие как кислород (О₂), углекислый газ (СО₂) и глюкозу.

в) Введение в химию. Наименьшей частицей белка, как и любого другого химического вещества, является молекула. Молекулы и образующие их еще более мелкие атомы элементов клеточная фабрика использует в качестве сырья.

1. Элементы, атомы и ионы. Химические элементы, чистые вещества, которые не могут быть разрушены с помощью химических средств, принято обозначать символами. Например, О — кислород, С — углерод и Н — водород. Представленные в таблице ниже 10 элементов входят в состав большинства веществ живой клетки. Другие элементы необходимы для нормальной жизнедеятельности клетки, но присутствуют в клетке в меньших количествах.

Атом — это наименьшая часть химического элемента, являющаяся носителем его свойств. Обычно атомы электрически нейтральны (см. рис. «Образование ионов») — суммарный положительный заряд протонов равен суммарному отрицательному заряду электронов.

Атомы химически активных элементов, таких как натрий и хлор, могут легко терять или приобретать отрицательно заряженные частицы — электроны. Когда атом теряет электроны, он становится положительно заряженным, а когда получает дополнительные электроны — становится отрицательно заряженным (см. рис. «Образование ионов»). Приобретая заряд, атом превращается в ион. Наличие положительного или отрицательного заряда позволяет ионам взаимодействовать. Данное свойство лежит в основе жизнедеятельности клетки.

2. Молекулы: соли и вода. Образование химических связей в кристаллах соли происходит благодаря притяжению между ионами, как разноименно заряженными телами. Формула поваренной соли, NaCl (хлорид натрия), показывает, что ее молекула состоит из одного иона натрия и одного иона хлора. KCl, молекула хлорида калия, состоит из одного иона калия (К⁺) и одного иона хлора (Cl^-).

Атомы связываются с другими атомами, образуя молекулы — наименьшие частицы вещества, определяющие его свойства. Молекула воды (Н₂О) представляет собой наименьшую частицу воды, которая определяет свойства воды. Дальнейшее расщепление воды приводит к высвобождению составляющих ее элементов — газов водорода и кислорода. Формула Н₂О показывает, что молекула воды состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода.

В молекулах солей атомы удерживают вместе ионные связи, однако в молекулах воды электроны распределяются между атомами неравномерно. Как показано на рис. «Химическая структура воды», А, в молекуле воды на стороне кислорода возникает слабый отрицательный заряд, а на стороне водорода -слабый положительный заряд. Так же как и атомы, молекулы в своем большинстве электрически нейтральны, однако молекула воды полярна — ее положительный и отрицательный заряды образуют положительный и отрицательный полюсы.

Из-за полярности молекулы воды притягиваются к другими заряженным веществам и друг к другу. Такое взаимодействие, называемое водородной связью, представлено на рис. «Химическая структура воды», Б. Благодаря образованию водородных связей вода может растворять электрически нейтральные кристаллы солей, заставляя их распадаться на ионы. Это значит, что соли не способны сохранять свою форму в воде — они растворяются. Как показано на рис. «Солевой раствор», полярные молекулы воды взаимодействуют с ионами кристаллической решетки Na⁺ и Cl^-, окружая и разделяя ионы.

Фактически именно соленая вода омывает клетки человеческого мозга, образует среду для поддержания их жизнедеятельности, позволяет клеткам взаимодействовать и составляет основу спинномозговой жидкости. В состав такого солевого раствора входят хлорид натрия и множество других солей, в том числе KCl (хлорид калия) и CaCl₂ (хлорид кальция).

в) Ядро и синтез белков. По аналогии с фабрикой, ядро можно рассматривать как канцелярию, которая хранит, копирует и отправляет на производственный этаж «чертежи» белков. Такие «чертежи» называют генами это фрагменты ДНК, которые отвечают за синтез определенных белков. Гены находятся внутри хромосом — состоящих из двойных спиралей структур, в которых хранится вся библиотека ДНК организма.

Хромосомы можно сравнить со сборниками чертежей. Каждая хромосома содержит тысячи генов. Каждый ген представляет собой «чертеж» или код, необходимый для синтеза одного белка. Хромосомы располагаются внутри ядра, а структура ДНК хромосом представлена на рис. 3.

Рисунок 3. Хромосома. Внутри ядра нервной клетки находятся парные хромосомы, образованные двухцепочечными молекулами ДНК, цепочки которых удерживаются вместе благодаря определенным нуклеотидным связям

P.S. Хромосомы (от греч. — окрашенное тело) получили такое название потому, что они легко окрашиваются определенными красителями.

Такое статическое изображение хромосом не дает представления о том, как выглядят хромосомы живой клетки. На видеозаписях клеточного ядра видно, что хромосомы непрерывно меняют форму и перемещаются относительно друг друга, стараясь занять лучшее место внутри ядра. Меняя форму, хромосомы подвергают воздействию окружающей жидкости разные гены, запуская процессы синтеза белка.

Соматическая клетка (клетка тела) человека содержит 23 пары хромосом, то есть всего 46 хромосом. (Половая клетка, напротив, содержит только 23 непарные хромосомы.) Каждая хромосома представляет собой двухцепочечную молекулу дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК). Две цепочки молекулы ДНК закручиваются, образуя двойную спираль (см. рис. 3).

P.S. У человека половые клетки — это сперматозоид (мужская половая клетка) и яйцеклетка (женская половая клетка).

Каждая цепочка ДНК содержит последовательность из расположенных в разном порядке азотистых оснований, которые составляют основу генетического кода: аденина (А), тимина (Т), гуанина (G) и цитозина (С). Аденин, лежащий внутри одной цепочки, образует спаренное основание с тимином другой цепочки, а гуанин образует спаренное основание с цитозином. Две цепочки двойной спирали соединяются друг с другом благодаря спариванию оснований (см. рис. 3).

Последовательности из сотен нуклеотидов формируют генетический код. Ученые записывают такой код в виде последовательности первых букв названий нуклеотидов — например, ATGCCG.

Ген — это фрагмент цепочки ДНК. Генетический код представляет собой последовательность из тысяч нуклеотидов. Подобно тому как последовательность букв в слове определяет его значение, последовательность спаренных оснований ACTG определяет последовательность аминокислот в молекуле специфического белка.

Для синтеза белка определенный фрагмент цепочки ДНК раскручивается, чтобы обеспечить доступ к основаниям. Последовательность нуклеотидов такой цепочки ДНК служит матрицей, которая привлекает молекулы, называемые свободными нуклеотидами. Нуклеотиды связываются с ДНК, образуя комплементарную цепочку рибонуклеиновой кислоты (РНК). Одноцепочечная молекула нуклеиновой кислоты отсоединяется от ДНК и покидает ядро. Она несет в себе код для синтеза белка.

Данный процесс, называемый транскрипцией, представлен на рис. 4 (1 и 2). («Транскрипция» означает «копирование» — этот процесс аналогичен копированию части текстового сообщения.)

Рисунок 4. Синтез белка. Информация в клетке передается от ДНК и мРНК к белку (пептидная цепочка)

г) Эндоплазматический ретикулум и производство белков. При транскрипции образуется молекула РНК, нуклеотидная последовательность которой повторяет последовательность цепочки ДНК. Единственным отличием является то, что в молекуле РНК место тимина занимает урацил (U). Урацил образует спаренное основание с аденином, точно так же как тимин в ДНК. В остальном последовательности РНК и ДНК идентичны.

Образовавшаяся в результате транскрипции цепочка РНК называется матричной, или информационной, РНК (мРНК), она осуществляет доставку кода (сообщения) из ядра в эндоплазматический ретикулум (ЭР), где происходит синтез белка.

На рисунке 4 (3 и 4) видно, что ЭР представляет собой сложную систему образующих множество каналов мембран. Отличительная особенность ЭР состоит в том, что на мембранах может находиться множество рибосом — структур, которые выполняют функцию катализаторов синтеза белков. Когда молекула мРНК попадает в ЭР, она связывается с рибосомой, которая считывает генетический код. При трансляции (именно так называют этот процесс) нуклеотидная последовательность мРНК преобразуется в специфическую аминокислотную последовательность. Транспортная РНК (тРНК) помогает преобразовывать последовательность нуклеотидов в аминокислотную последовательность.

Как показано на рис. 5, каждый фрагмент молекулы мРНК кодирует определенную аминокислоту из трех последовательных нуклеотидов. Такие тройки нуклеотидных остатков называют кодонами. Например, кодон урацил, гуанин, гуанин (UGG) кодирует аминокислоту триптофан (Тгр), а кодон урацил, урацил, урацил (UUU) кодирует аминокислоту фенилаланин (Phe). Последовательность кодонов в цепочке мРНК определяет последовательность аминокислот в синтезируемой цепочке.

Рисунок 5. Транскрипция и трансляция. При синтезе белка (см. рис. 4) определенная нуклеотидная последовательность цепочки ДНК (вверху) транскрибируется в мРНК (в центре). Каждая тройка нуклеотидов в цепочке мРНК (кодон) кодирует одну аминокислоту. При трансляции под управлением кодонов аминокислоты связываются друг с другом, образуя цепочку (внизу). Показаны аминокислоты — аргинин (Arg), фенилаланин (Phe), глицин (Gly) и серин (Ser)

В организме человека присутствует 20 различных аминокислот. Все аминокислоты имеют схожую структуру, которая представлена на рис. 6. Каждая аминокислота содержит центральный атом углерода (С), к которому присоединены атом водорода (Н), аминогруппа (NH³⁺), карбоксильная группа (СОО^-), и боковая цепь (R). Боковые цепи разных аминокислот различаются.

Рисунок 6. Структура аминокислот. А. Каждая аминокислота содержит центральный атом углерода (С), к которому присоединены аминогруппа (NH³⁺), карбоксильная группа (СОО^-) и боковая цепь (R). Б. Аминокислоты образуют пептидные связи, формируя полипептидную цепочку

Аминогруппа (NH³⁺) связывается с карбоксильной группой (СОО ) соседней аминокислоты, образуя пептидную связь. Именно поэтому цепочку аминокислот называют полипептидной цепью (рис. 6).

Точно так же как 26 букв английского алфавита могут составить множество слов, 20 аминокислот могут составить огромное количество полипептидных цепочек. Эти аминокислоты могут образовать 400 (20 х 20) дипептидов (комбинации из двух пептидов), 8000 (20x20x20) трипептидов (комбинации из трех пептидов), а также бесчисленное множество полипептидов.

Таким образом, поток информации, управляемый генетическим кодом, движется следующим образом: ген (фрагмент цепочки ДНК) транскрибируется в цепочку мРНК, а рибосомы преобразуют мРНК в цепочку аминокислот (полипептидную цепочку), которая формирует белок. Это значит, что последовательность событий при синтезе белка можно записать так:

ДНК => мРНК => белок.

д) Белки — продукция клетки. Полипептидная цепочка и белок — это родственные понятия, но не всегда подразумевают одно и то же. Их можно сравнить с кусочком ленты и бантом, который можно сделать из этого кусочка. Длинные полипептидные цепочки склонны закручиваться в спирали или образовывать складчатые листы, которые, в свою очередь, свертываются, образуя более сложные структуры (рис. 7). Белок - это свернутая полипептидная цепочка, а его структура важна для выполнения белком его функции.

Рисунок 7. Четыре уровня структурной организации белков. Аминокислотная последовательность (первичная структура) определяет, образует ли белок складчатый лист или спираль и какой будет его трехмерная структура. В редких случаях неправильное сворачивание белков приводит к негативным последствиям, например, у прионных белков, которые вызывают многие дегенеративные заболевания мозга, в том числе бешенство коров, почесуху овец, а также, возможно, болезнь Альцгеймера и болезнь Паркинсона.

Один нейрон содержит около 20 000 генов, а эти гены, теоретически, могут производить около 20 000 различных белковых молекул. Однако число белков, которые в конечном итоге могут быть произведены нейроном, намного превышает число его генов. Несмотря на то что один ген кодирует один белок, в дальнейшем может произойти расщепление белка (например, ферментом) или в рамках какого-либо процесса в клетке он может стать частью белкового комплекса.

Структура белка, а также его способность менять свою форму (конформацию) и образовывать различные комплексы с другими белками определяет его функцию. Белки могут оказывать воздействие на длину, форму и поведение других белков, выступая в роли ферментов — белков, запускающих и ускоряющих химические реакции. Белки, встроенные в клеточную мембрану, могут участвовать в регуляции транспорта химических веществ через мембрану. И наконец, белки могут транспортироваться из клетки в клетку, выступая в роли молекул-посредников.

е) Аппарат Гольджи и микротрубочки: упаковка и транспортировка белков. За доставку белков в пункт назначения отвечают компоненты клетки, которые упаковывают, маркируют и транспортируют белки. Работа таких компонентов в значительной степени напоминает работу почты или службы доставки.

Перед отправкой синтезированные в ЭПР белковые молекулы упаковывают в мембрану, указав адрес доставки. Все это происходит в органеллах, называемых аппаратом Гольджи. Затем упакованные белки связываются с моторными молекулами, которые по пронизывающим тело клетки микротрубочкам доставляют белки в пункты назначения. Схема экспорта белков приведена на рис. 8.

Рисунок 8. Экспорт белков. Экспорт белка предполагает упаковку, транспортировку и доставку в пункт назначения

Если белок должен остаться в клетке, он высвобождается во внутриклеточную жидкость. Если он должен быть встроен в клеточную мембрану, он отправляется к мембране и встраивается в нее. Если белок должен быть выделен из клетки, его транспорт осуществляется посредством экзоцитоза (то есть из клетки). Мембрана, или везикула, в которую упакован белок, сливается с клеточной мембраной, выбрасывая белок во внеклеточную жидкость.

ж) Мембранный транспорт: каналы, каналы с воротным механизмом и насосы. Некоторые белки встроены в клеточную мембрану. Такие белки выполняют множество функций, в том числе обеспечивают трансмембранный перенос мелких молекул, в том числе солей, сахара и некоторых других. В этой статье на сайте мы рассмотрим, как разные типы мембранных белков (каналы, каналы с воротным механизмом и насосы) транспортируют вещества. В каждом случае функцию конкретного белка определяет его структура.

Форма белка и его способность менять свою конформацию зависят от образующей белковую молекулу аминокислотной последовательности. Некоторые белки меняют свою структуру при связывании с другими химическими веществами, структура других меняется под воздействием температуры. Многие белки обладают способностью менять свою конформацию в ответ на изменение электрического заряда. Способность белковой молекулы к изменению структуры (конформации) можно сравнить с дверным замком.

Если в замок вставить подходящий ключ, а затем повернуть его, произойдет активация механизма, механизм изменит свою форму, и дверь откроется.

На рисунке 9 показано, как белок меняет свою структуру. На поверхности этой белковой молекулы есть углубление, называемое рецептором, -его можно сравнить с замочной скважиной. Мелкие молекулы, такие как глюкоза, или некоторые белки, могут связываться с рецептором, заставляя белок менять свою структуру. Изменения структуры позволяют белкам выполнять новые функции.

Некоторые мембранные белки образуют каналы, сквозь которые могут проходить химические вещества. Каналы разных размеров регулируют транспорт разных веществ.

На рисунке 10 представлен белок с определенной структурой: он образует канал, размеры которого позволяют пропускать ионы калия (К⁺) и не пропускать другие ионы. Ряд каналов предназначен для транспорта ионов натрия или хлора в клетку и из клетки, другие каналы отвечают за транспорт других веществ.

На рисунке 10 представлена белковая молекула, которая работает как ворота, регулирующие транспорт веществ. Подобно белку, изображенному на рис. 9, белок, формирующий канал с воротным механизмом, меняет конфигурацию, когда нейромедиатор связывается с рецепторными участками на его молекуле. Канал с «воротами» изменяет свою структуру и открывается, регулируя таким образом прохождение веществ сквозь канал.

Рисунок 9. Связывание с рецептором. Когда вещество связывается с рецептором, белок меняет конфигурацию, что может привести к изменению его функции

Благодаря изменению структуры белки также могут действовать как насосы. На рисунке 10 изображена клеточная стенка, которая меняет свою структуру, чтобы транспортировать через мембрану ионы Na⁺ и К⁺.

Рисунок 10. Варианты мембранных белков. Каналы, каналы с воротным механизмом и насосы — белки, встроенные в клеточную мембрану

Каналы, каналы с воротным механизмом и насосы выполняют важную функцию, позволяя веществам попадать в клетку и покидать ее. Кроме того, механизмы транспорта веществ через мембрану помогают понять, как происходит обмен информацией между нейронами. Отдельная статья на сайте описывает, как нейроны взаимодействуют друг с другом, используя электрическую активность - просим пользоваться формой поиска выше.

Видео строение клетки

- Читать далее "Гены, клетки и поведение человека"

Редактор: Искандер Милевски. Дата публикации: 5.7.2023