ارتباط سلول با محیط را فراهم می کند. ارتباط ارگانیسم با محیط

ارتباط یک موجود زنده با محیط، از دیدگاه فیزیکوشیمیایی، یک سیستم باز است، یعنی سیستمی که در آن فرآیندهای بیوشیمیایی در حال انجام است. مواد اولیه از محیط می آیند و موادی که پیوسته نیز تشکیل می شوند خارج می شوند. تعادل بین سرعت و غلظت محصولات واکنش های چند جهته در بدن مشروط و خیالی است زیرا مصرف و حذف مواد متوقف نمی شود. ارتباط مستمر با محیط و به ما این امکان را می دهد که یک موجود زنده را به عنوان یک سیستم باز در نظر بگیریم.

خورشید منبع انرژی برای تمام سلول های زنده است. سلول های گیاهی انرژی نور خورشید را با کمک کلروفیل جذب می کنند و از آن برای واکنش های جذب در طول فتوسنتز استفاده می کنند. سلول های حیوانات، قارچ ها، باکتری ها به طور غیرمستقیم از انرژی خورشیدی استفاده می کنند، هنگام تقسیم مواد آلی سنتز شده توسط یک گیاه زمینی.

بخشی از مواد مغذی سلول در فرآیند تنفس سلولی شکسته می شود، بنابراین انرژی لازم برای انواع مختلف فعالیت سلولی را تامین می کند. این فرآیند در اندامک هایی به نام میتوکندری انجام می شود. میتوکندری از دو غشا تشکیل شده است: غشای بیرونی که اندامک را از سیتوپلاسم جدا می کند و غشای داخلی که چین های متعددی را تشکیل می دهد. محصول اصلی تنفس ATP است. میتوکندری را ترک می کند و به عنوان منبع انرژی برای بسیاری از واکنش های شیمیایی در سیتوپلاسم و غشای سلولی استفاده می شود. اگر برای اجرای تنفس سلولی به اکسیژن نیاز باشد، تنفس را تنفس هوازی می‌نامند، اما اگر واکنش‌ها در غیاب اکسیژن اتفاق بیفتد، از تنفس بی‌هوازی صحبت می‌شود.

برای هر نوع کاری که در یک سلول انجام می شود، انرژی به یک شکل استفاده می شود - به شکل انرژی از پیوندهای فسفات ATP. ATP یک ترکیب بسیار متحرک است. تشکیل ATP در غشای داخلی میتوکندری اتفاق می افتد. ATP در تمام سلول ها در طول تنفس به دلیل انرژی اکسیداسیون کربوهیدرات ها، چربی ها و سایر مواد آلی سنتز می شود. در سلول های گیاهان سبز، مقدار اصلی ATP در کلروپلاست ها به دلیل انرژی خورشیدی سنتز می شود. در آنها، در طول فتوسنتز، چندین برابر بیشتر از میتوکندری ATP تولید می شود. ATP با شکستن پیوندهای فسفر-اکسیژن و آزاد شدن انرژی تجزیه می شود. این تحت تأثیر آنزیم ATPase در فرآیند هیدرولیز ATP - افزودن آب با حذف یک مولکول اسید فسفریک رخ می دهد. در نتیجه، ATP به ADP تبدیل می‌شود و اگر دو مولکول اسید فسفریک از هم جدا شوند، به AMP تبدیل می‌شوند. واکنش برش هر گرم مولکول اسید با آزاد شدن 40 کیلوژول همراه است. این یک بازده انرژی بسیار بزرگ است، بنابراین پیوندهای فسفر-اکسیژن ATP معمولاً ماکروارژیک (پر انرژی) نامیده می شوند.

استفاده از ATP در واکنش های تبادل پلاستیک با ترکیب آنها با هیدرولیز ATP انجام می شود. مولکول های مواد مختلف با اتصال گروه فسفر آزاد شده در طول هیدرولیز از مولکول ATP، یعنی با فسفوریلاسیون، با انرژی شارژ می شوند.

یکی از ویژگی های مشتقات فسفات این است که آنها نمی توانند سلول را ترک کنند، اگرچه اشکال "تخلیه شده" آنها آزادانه از غشاء عبور می کنند. به همین دلیل مولکول های فسفریله شده در سلول باقی می مانند تا زمانی که در واکنش های مناسب مورد استفاده قرار گیرند.

فرآیند معکوس تبدیل ADP به ATP با اتصال یک مولکول اسید فسفریک به ADP، آزاد شدن آب و جذب مقدار زیادی انرژی اتفاق می‌افتد.

بنابراین، ATP یک منبع جهانی و فوری انرژی برای فعالیت سلولی است. این یک صندوق سلولی واحد از انرژی ایجاد می کند و امکان توزیع مجدد و انتقال آن از یک قسمت سلول به قسمت دیگر را فراهم می کند.

انتقال یک گروه فسفات نقش مهمی در واکنش های شیمیایی مانند جمع آوری ماکرومولکول ها از مونومرها دارد. به عنوان مثال، اسیدهای آمینه تنها زمانی می توانند به پپتیدها ترکیب شوند که قبلاً فسفریله شده باشند. فرآیندهای مکانیکی انقباض یا حرکت، انتقال یک املاح در برابر گرادیان غلظت و سایر فرآیندها با مصرف انرژی ذخیره شده در ATP مرتبط هستند.

فرآیند تبادل انرژی را می توان به صورت زیر نشان داد. مواد آلی با مولکولی بالا در سیتوپلاسم به صورت آنزیمی، با هیدرولیز، به مواد ساده‌تری تبدیل می‌شوند که از آن‌ها تشکیل می‌شود: پروتئین‌ها - به اسیدهای آمینه، پلی و دی ساکاریدها - به مونوساکاریدها (+ گلوکز)، چربی‌ها به گلیسرول و اسیدهای چرب. فرآیندهای اکسیداتیو وجود ندارد، انرژی کمی آزاد می شود، که استفاده نمی شود و به شکل حرارتی می رود. اکثر سلول ها ابتدا از کربوهیدرات ها استفاده می کنند. پلی ساکاریدها (نشاسته در گیاهان و گلیکوژن در حیوانات) به گلوکز هیدرولیز می شوند. اکسیداسیون گلوکز در سه مرحله انجام می شود: گلیکولیز، دکربوکسیلاسیون اکسیداتیو (چرخه کربس - چرخه اسید سیتریک) و فسفوریلاسیون اکسیداتیو (زنجیره تنفسی). گلیکولیز که در نتیجه آن یک مولکول گلوکز با آزاد شدن دو مولکول ATP به دو مولکول اسید پیروویک تقسیم می شود، در سیتوپلاسم انجام می شود. در غیاب اکسیژن، اسید پیروویک یا به اتانول (تخمیر) یا اسید لاکتیک (تنفس بی هوازی) تبدیل می شود.

اگر گلیکولیز در سلول های حیوانی انجام شود، مولکول شش کربنه گلوکز به دو مولکول اسید لاکتیک تجزیه می شود. این فرآیند چند مرحله ای است. این به طور متوالی توسط 13 آنزیم انجام می شود. در طی تخمیر الکلی، دو مولکول اتانول و دو مولکول CO2 از یک مولکول گلوکز تشکیل می شوند.

گلیکولیز یک مرحله مشترک در تنفس بی هوازی و هوازی است، دو مرحله دیگر فقط در شرایط هوازی انجام می شوند. فرآیند اکسیداسیون بدون اکسیژن که در آن تنها بخشی از انرژی متابولیت ها آزاد و استفاده می شود، فرآیند نهایی برای موجودات بی هوازی است. در حضور اکسیژن، اسید پیروویک به میتوکندری می رود، جایی که در نتیجه تعدادی از واکنش های متوالی، به طور کامل هوازی به H2O و CO2 با فسفوریلاسیون همزمان ADP به ATP اکسید می شود. در همان زمان، گلیکولیز دو مولکول ATP، دو - چرخه کربس، 34 - زنجیره تنفسی را می دهد. بازده خالص از اکسیداسیون کامل یک مولکول گلوکز به H2O و CO2 38 مولکول است.

بنابراین، در موجودات هوازی، تجزیه نهایی مواد آلی با اکسید کردن آنها با اکسیژن اتمسفر به مواد معدنی ساده انجام می شود: CO2 و H2O. این فرآیند بر روی کریستای میتوکندری انجام می شود. در این حالت حداکثر انرژی آزاد آزاد می شود که بخش قابل توجهی از آن در مولکول های ATP ذخیره می شود. به راحتی می توان دریافت که اکسیداسیون هوازی انرژی آزاد را تا حد زیادی به سلول می دهد.

در نتیجه کاتابولیسم، مولکول های غنی از انرژی ATP در سلول جمع می شوند و CO2 و آب اضافی در محیط خارجی آزاد می شوند.

مولکول های قندی که برای تنفس مورد نیاز نیستند را می توان در سلول ذخیره کرد. لیپیدهای اضافی یا شکافته می شوند و پس از آن محصولات برش آنها به عنوان بستری برای تنفس وارد میتوکندری می شود یا به صورت ذخایر در سیتوپلاسم به شکل قطرات چربی رسوب می کند. پروتئین ها از اسیدهای آمینه وارد شده به سلول ساخته می شوند. سنتز پروتئین در اندامک هایی به نام ریبوزوم اتفاق می افتد. هر ریبوزوم از دو ذره فرعی تشکیل شده است - بزرگ و کوچک: هر دو ذره فرعی شامل مولکول های پروتئین و مولکول های RNA هستند.

ریبوزوم ها اغلب به سیستم خاصی از غشاها، متشکل از مخازن و وزیکول ها، به شبکه آندوپلاسمی (ER) متصل می شوند. در سلول هایی که پروتئین زیادی تولید می کنند، شبکه آندوپلاسمی اغلب به خوبی توسعه یافته و پر از ریبوزوم است. برخی از آنزیم ها تنها زمانی موثر هستند که به غشاء متصل شوند. بیشتر آنزیم های دخیل در سنتز لیپیدها در اینجا قرار دارند. بنابراین، شبکه آندوپلاسمی، به عنوان یک نوع دسکتاپ سلولی است.

علاوه بر این، ER سیتوپلاسم را به بخش‌ها یا محفظه‌های جداگانه تقسیم می‌کند، یعنی فرآیندهای شیمیایی مختلفی را که به طور همزمان در سیتوپلاسم اتفاق می‌افتند جدا می‌کند و در نتیجه احتمال تداخل این فرآیندها با یکدیگر را کاهش می‌دهد.

اغلب محصولات تشکیل شده توسط یک سلول مشخص در خارج از سلول استفاده می شود. در چنین مواردی، پروتئین‌های سنتز شده روی ریبوزوم‌ها از غشاهای شبکه آندوپلاسمی عبور می‌کنند و در وزیکول‌های غشایی که در اطراف آنها تشکیل می‌شوند، بسته می‌شوند، که سپس از ER جدا می‌شوند. این حباب‌ها که روی هم صاف می‌شوند و روی هم چیده می‌شوند، مانند پنکیک‌های توده‌ای، ساختار مشخصی به نام مجموعه گلژی یا دستگاه گلژی را تشکیل می‌دهند. در طول اقامت خود در دستگاه گلژی، پروتئین ها دستخوش تغییرات خاصی می شوند. هنگامی که زمان خروج آنها از سلول فرا می رسد، وزیکول های غشایی با غشای سلولی ادغام می شوند و خالی می شوند و محتویات آنها به بیرون ریخته می شود، یعنی ترشح با اگزوسیتوز انجام می شود.

لیزوزوم ها نیز در دستگاه گلژی - کیسه های غشایی حاوی آنزیم های گوارشی - تشکیل می شوند. درک اینکه یک سلول چگونه پروتئین‌های خاصی را می‌سازد، بسته‌بندی می‌کند و صادر می‌کند و اینکه چگونه می‌داند کدام پروتئین‌ها را باید برای خود نگه دارد، یکی از جذاب‌ترین شاخه‌های سیتولوژی مدرن است.

غشاهای هر سلول دائما در حال حرکت و تغییر هستند. غشاهای ER به آرامی در سراسر سلول حرکت می کنند. بخش های جداگانه ای از این غشاها جدا شده و وزیکول هایی را تشکیل می دهند که به طور موقت بخشی از دستگاه گلژی می شوند و سپس در فرآیند اگزوسیتوز با غشای سلولی ادغام می شوند.

بعداً، مواد غشایی به سیتوپلاسم برمی‌گردد و در آنجا مجدداً مورد استفاده قرار می‌گیرد.

تبادل موادی که وارد سلول می شوند یا توسط آن به بیرون آزاد می شوند و همچنین تبادل سیگنال های مختلف با محیط میکرو و کلان از طریق غشای بیرونی سلول صورت می گیرد. همانطور که مشخص است، غشای سلولی یک لایه دولایه لیپیدی است که در آن مولکول های پروتئینی مختلف تعبیه شده است که به عنوان گیرنده های تخصصی، کانال های یونی، دستگاه هایی که به طور فعال مواد شیمیایی مختلف را انتقال یا حذف می کنند، تماس های بین سلولی و غیره عمل می کنند. در سلول های یوکاریوتی سالم، فسفولیپیدها در غشاء به صورت نامتقارن: سطح بیرونی از اسفنگومیلین و فسفاتیدیل کولین، سطح داخلی از فسفاتیدیل سرین و فسفاتیدیل اتانول آمین تشکیل شده است. حفظ چنین عدم تقارن مستلزم صرف انرژی است. بنابراین در صورت آسیب به سلول، عفونت آن، گرسنگی انرژی، سطح بیرونی غشاء با فسفولیپیدهای غیرمعمول برای آن غنی می شود که با واکنش مناسب به آن سیگنالی برای سایر سلول ها و آنزیم ها در مورد آسیب سلولی می شود. مهمترین نقش را شکل محلول فسفولیپاز A2 ایفا می کند که اسید آراشیدونیک را تجزیه کرده و از فسفولیپیدهای فوق لیزوفرم ایجاد می کند. اسید آراشیدونیک یک پیوند محدودکننده برای ایجاد واسطه‌های التهابی مانند ایکوزانوئیدها است و مولکول‌های محافظ - پنتراکسین‌ها (پروتئین واکنش‌گر C (CRP)، پیش‌سازهای پروتئین‌های آمیلوئید) - به لیزوفرم‌های غشاء متصل می‌شوند و به دنبال آن، غشا فعال می‌شود. سیستم مکمل در امتداد مسیر کلاسیک و تخریب سلولی.

ساختار غشاء به حفظ ویژگی های محیط داخلی سلول، تفاوت آن با محیط خارجی کمک می کند. این با نفوذ پذیری انتخابی غشای سلولی، وجود مکانیسم های انتقال فعال در آن تضمین می شود. نقض آنها در نتیجه آسیب مستقیم، به عنوان مثال، توسط تترودوتوکسین، اوابین، تترا اتیل آمونیوم، یا در صورت تامین انرژی ناکافی "پمپ های" مربوطه، منجر به نقض ترکیب الکترولیت سلول، تغییر در متابولیسم آن می شود. نقض عملکردهای خاص - انقباض، هدایت یک تکانه تحریک و غیره. نقض کانال های یونی سلولی (کلسیم، سدیم، پتاسیم و کلرید) در انسان نیز می تواند از نظر ژنتیکی با جهش ژن های مسئول ساختار این ژن ها تعیین شود. کانال ها به اصطلاح کانالوپاتی ها عامل بیماری های ارثی سیستم عصبی، عضلانی و گوارشی هستند. دریافت بیش از حد آب در داخل سلول می تواند به پارگی آن - سیتولیز - به دلیل سوراخ شدن غشاء در حین فعال شدن کمپلمان یا حمله لنفوسیت های سیتوتوکسیک و کشنده های طبیعی منجر شود.

بسیاری از گیرنده ها در غشای سلولی ساخته شده اند - ساختارهایی که وقتی با مولکول های سیگنال خاص مربوطه (لیگاندها) ترکیب می شوند، سیگنالی را به سلول منتقل می کنند. این امر از طریق آبشارهای تنظیمی مختلف، متشکل از مولکول‌های فعال آنزیمی، که به‌طور متوالی فعال می‌شوند و در نهایت به اجرای برنامه‌های سلولی مختلف، مانند رشد و تکثیر، تمایز، تحرک، پیری و مرگ سلولی کمک می‌کنند، اتفاق می‌افتد. آبشارهای نظارتی بسیار زیاد هستند، اما تعداد آنها هنوز به طور کامل مشخص نشده است. سیستم گیرنده ها و آبشارهای تنظیمی مرتبط با آنها نیز در داخل سلول وجود دارد. آنها یک شبکه تنظیمی خاص با نقاط تمرکز، توزیع و انتخاب مسیر سیگنال بعدی را بسته به وضعیت عملکردی سلول، مرحله توسعه آن و عملکرد همزمان سیگنال های گیرنده های دیگر ایجاد می کنند. نتیجه این ممکن است مهار یا تقویت سیگنال، جهت آن در امتداد یک مسیر تنظیمی متفاوت باشد. هم دستگاه گیرنده و هم مسیرهای انتقال سیگنال از طریق آبشارهای تنظیمی، مانند هسته، می توانند در نتیجه یک نقص ژنتیکی که به عنوان یک نقص مادرزادی در سطح ارگانیسم یا به دلیل یک جهش جسمی در یک سلول خاص رخ می دهد، مختل شوند. نوع این مکانیسم ها می توانند توسط عوامل عفونی، سموم آسیب ببینند و همچنین در طول پیری تغییر کنند. مرحله نهایی این ممکن است نقض عملکرد سلول، فرآیندهای تکثیر و تمایز آن باشد.

مولکول هایی که نقش مهمی در فرآیندهای برهمکنش بین سلولی دارند نیز در سطح سلول ها قرار دارند. اینها ممکن است شامل پروتئین های چسبنده سلولی، آنتی ژن های سازگار با بافت، آنتی ژن های خاص بافتی، تمایز دهنده و غیره باشد. تغییرات در ترکیب این مولکول ها باعث نقض برهمکنش های بین سلولی می شود و می تواند باعث فعال شدن مکانیسم های مربوطه برای از بین بردن چنین سلول هایی شود. آنها به عنوان مخزن عفونت، به ویژه ویروسی، یا به عنوان آغازگرهای بالقوه رشد تومور، خطر خاصی را برای یکپارچگی بدن ایجاد می کنند.

نقض منبع انرژی سلول

منبع انرژی در سلول غذا است که پس از تجزیه آن انرژی به مواد نهایی آزاد می شود. میتوکندری ها محل اصلی تولید انرژی هستند که در آن مواد با کمک آنزیم های زنجیره تنفسی اکسید می شوند. اکسیداسیون تامین کننده اصلی انرژی است، زیرا در نتیجه گلیکولیز، در مقایسه با اکسیداسیون، بیش از 5٪ انرژی از همان مقدار سوبستراهای اکسیداسیون (گلوکز) آزاد نمی شود. حدود 60 درصد از انرژی آزاد شده در طی اکسیداسیون توسط فسفوریلاسیون اکسیداتیو در فسفات های ماکرو ارژیک (ATP، کراتین فسفات) انباشته می شود و بقیه به صورت گرما دفع می شود. در آینده، فسفات های پرانرژی توسط سلول برای فرآیندهایی مانند پمپاژ، سنتز، تقسیم، حرکت، ترشح و غیره استفاده می شود. سه مکانیسم وجود دارد که آسیب آنها می تواند باعث اختلال در تامین انرژی سلول شود: اول مکانیسم سنتز آنزیم های متابولیسم انرژی، دوم مکانیسم فسفوریلاسیون اکسیداتیو، سوم مکانیسم استفاده از انرژی است.

نقض انتقال الکترون در زنجیره تنفسی میتوکندری یا جدا شدن اکسیداسیون و فسفوریلاسیون ADP با از دست دادن پتانسیل پروتون - نیروی محرکه تولید ATP، منجر به تضعیف فسفوریلاسیون اکسیداتیو می شود به گونه ای که بیشتر انرژی در هدر می رود. شکل گرما و تعداد ترکیبات ماکروارژیک کاهش می یابد. جداسازی اکسیداسیون و فسفوریلاسیون تحت تأثیر آدرنالین توسط سلول‌های موجودات گرمازا برای افزایش تولید گرما و حفظ دمای ثابت بدن در هنگام خنک شدن یا افزایش آن در هنگام تب استفاده می‌شود. تغییرات قابل توجهی در ساختار میتوکندری و متابولیسم انرژی در تیروتوکسیکوز مشاهده می شود. این تغییرات در ابتدا برگشت پذیر هستند، اما پس از یک نقطه معین برگشت ناپذیر می شوند: میتوکندری تکه تکه می شود، متلاشی می شود یا متورم می شود، کریستاها را از دست می دهد، تبدیل به واکوئل می شود و در نهایت موادی مانند هیالین، فریتین، کلسیم، لیپوفوسسین را جمع می کند. در بیماران مبتلا به اسکوربوت، میتوکندری ها به هم می پیوندند و کندریوسفرها را تشکیل می دهند که احتمالاً به دلیل آسیب غشاء توسط ترکیبات پراکسید است. آسیب قابل توجهی به میتوکندری تحت تأثیر تابش یونیزان، در طول تبدیل یک سلول طبیعی به یک سلول بدخیم رخ می دهد.

میتوکندری ها انبار قدرتمندی از یون های کلسیم هستند که غلظت آن چندین مرتبه بیشتر از سیتوپلاسم است. هنگامی که میتوکندری آسیب می بیند، کلسیم وارد سیتوپلاسم می شود و باعث فعال شدن پروتئینازها با آسیب به ساختارهای داخل سلولی و اختلال در عملکرد سلول مربوطه می شود، به عنوان مثال، انقباضات کلسیم یا حتی "مرگ کلسیم" در نورون ها. در نتیجه نقض توانایی عملکردی میتوکندری، تشکیل ترکیبات پراکسید رادیکال آزاد به شدت افزایش می یابد، که واکنش پذیری بسیار بالایی دارند و بنابراین به اجزای مهم سلولی - اسیدهای نوکلئیک، پروتئین ها و لیپیدها آسیب می رسانند. این پدیده در جریان به اصطلاح استرس اکسیداتیو مشاهده می شود و می تواند پیامدهای منفی برای وجود سلول داشته باشد. بنابراین، آسیب به غشای خارجی میتوکندری همراه با انتشار در سیتوپلاسم مواد موجود در فضای بین غشایی، در درجه اول سیتوکروم C و برخی دیگر از مواد فعال بیولوژیکی است، که باعث واکنش های زنجیره ای می شود که باعث مرگ برنامه ریزی شده سلولی - آپوپتوز می شود. با آسیب رساندن به DNA میتوکندری، واکنش های رادیکال های آزاد اطلاعات ژنتیکی لازم برای تشکیل آنزیم های زنجیره تنفسی خاصی را که به طور خاص در میتوکندری تولید می شوند، تحریف می کنند. این منجر به اختلال حتی بیشتر در فرآیندهای اکسیداتیو می شود. به طور کلی، دستگاه ژنتیکی ذاتی میتوکندری، در مقایسه با دستگاه ژنتیکی هسته، کمتر از تأثیرات مضری که قادر به تغییر اطلاعات ژنتیکی رمزگذاری شده در آن است محافظت می شود. در نتیجه، اختلال عملکرد میتوکندری در طول زندگی رخ می دهد، به عنوان مثال، در فرآیند پیری، در طول تبدیل بدخیم سلول، و همچنین در برابر پس زمینه بیماری های میتوکندری ارثی مرتبط با جهش DNA میتوکندری در تخمک. در حال حاضر، بیش از 50 جهش میتوکندری توصیف شده است که باعث بیماری های دژنراتیو ارثی سیستم عصبی و عضلانی می شود. آنها منحصراً از مادر به کودک منتقل می شوند، زیرا میتوکندری اسپرم بخشی از زیگوت و بر این اساس، ارگانیسم جدید نیست.

نقض حفظ و انتقال اطلاعات ژنتیکی

هسته سلول حاوی بیشتر اطلاعات ژنتیکی است و در نتیجه عملکرد طبیعی آن را تضمین می کند. با کمک بیان ژن انتخابی، کار سلول را در فاز میانی هماهنگ می کند، اطلاعات ژنتیکی را ذخیره می کند، مواد ژنتیکی را در فرآیند تقسیم سلولی بازسازی و انتقال می دهد. همانندسازی DNA و رونویسی RNA در هسته انجام می شود. عوامل بیماریزای مختلف مانند اشعه ماوراء بنفش و یونیزان، اکسیداسیون رادیکال های آزاد، مواد شیمیایی، ویروس ها می توانند به DNA آسیب برسانند. تخمین زده می شود که هر سلول یک حیوان خونگرم در 1 روز. بیش از 10000 پایگاه را از دست می دهد. به این موارد باید تخلفات هنگام کپی در حین تقسیم را اضافه کرد. اگر این آسیب ادامه داشت، سلول نمی توانست زنده بماند. حفاظت در وجود سیستم‌های ترمیم قدرتمند مانند اندونوکلئاز فرابنفش، سیستم تکثیر ترمیمی و ترمیم نوترکیبی است که جایگزین آسیب DNA می‌شود. نقص های ژنتیکی در سیستم های ترمیمی به دلیل افزایش حساسیت به عوامل آسیب رسان DNA باعث ایجاد بیماری ها می شود. این یک خشکی پوستی رنگدانه ای و همچنین برخی از سندرم های پیری تسریع شده است که با افزایش تمایل به بروز تومورهای بدخیم همراه است.

سیستم تنظیم فرآیندهای همانندسازی DNA، رونویسی RNA پیام رسان (mRNA)، ترجمه اطلاعات ژنتیکی از اسیدهای نوکلئیک به ساختار پروتئین ها کاملاً پیچیده و چند سطحی است. علاوه بر آبشارهای تنظیمی که باعث فعالیت بیش از 3000 فاکتور رونویسی می شود که ژن های خاصی را فعال می کند، یک سیستم تنظیمی چند سطحی نیز وجود دارد که با واسطه مولکول های RNA کوچک (RNA های مداخله گر؛ RNAi) انجام می شود. ژنوم انسان که از حدود 3 میلیارد باز پورین و پیریمیدین تشکیل شده است، تنها حاوی 2 درصد از ژن های ساختاری مسئول سنتز پروتئین است. بقیه، سنتز RNA های تنظیمی را فراهم می کنند، که همراه با فاکتورهای رونویسی، کار ژن های ساختاری را در سطح DNA در کروموزوم ها فعال یا مسدود می کند یا بر ترجمه RNA پیام رسان (mRNA) در طول تشکیل یک مولکول پلی پپتیدی در سیتوپلاسم تأثیر می گذارد. . نقض اطلاعات ژنتیکی می تواند هم در سطح ژن های ساختاری و هم در بخش تنظیم کننده DNA با تظاهرات مربوطه در قالب بیماری های ارثی مختلف رخ دهد.

اخیراً توجه زیادی به تغییرات در ماده ژنتیکی که در طول رشد فردی یک ارگانیسم رخ می دهد و با مهار یا فعال شدن بخش های خاصی از DNA و کروموزوم ها به دلیل متیلاسیون، استیلاسیون و فسفوریلاسیون آنها مرتبط است، شده است. این تغییرات برای مدت طولانی و گاهی در طول زندگی ارگانیسم از جنین زایی تا پیری باقی می مانند و به آن وراثت اپی ژنومیک می گویند.

از تولید مثل سلول هایی با اطلاعات ژنتیکی تغییر یافته نیز توسط سیستم ها (عوامل) کنترل چرخه میتوزی جلوگیری می شود. آنها با پروتئین کینازهای وابسته به سیکلین و زیرواحدهای کاتالیزوری آنها - سیکلین ها - تعامل دارند و عبور یک چرخه میتوزی کامل توسط سلول را مسدود می کنند و تقسیم را در مرز بین فازهای پیش سنتزی و مصنوعی (بلوک G1 / S) تا پایان ترمیم DNA متوقف می کنند. و اگر غیرممکن باشد، سلول های مرگ برنامه ریزی شده را راه اندازی می کنند. این عوامل شامل ژن p53 است که جهش آن باعث از دست دادن کنترل بر تکثیر سلول های تبدیل شده می شود. تقریباً در 50 درصد از سرطان های انسانی رخ می دهد. دومین پاسگاه گذر چرخه میتوزی در مرز G2/M قرار دارد. در اینجا، توزیع صحیح مواد کروموزومی بین سلول های دختر در میتوز یا میوز با استفاده از مجموعه ای از مکانیسم ها کنترل می شود که دوک سلولی، مرکز و سانترومرها (kinetochores) را کنترل می کند. ناکارآمدی این مکانیسم ها منجر به اختلال در توزیع کروموزوم ها یا قطعات آنها می شود که با عدم وجود هر کروموزوم در یکی از سلول های دختر (آنئوپلوئیدی)، وجود کروموزوم اضافی (پلی پلوئیدی)، جدا شدن ظاهر می شود. بخشی از کروموزوم (حذف) و انتقال آن به کروموزوم دیگر (جابه جایی). چنین فرآیندهایی اغلب در طول تولید مثل سلول های بدخیم دژنره شده و تبدیل شده مشاهده می شود. اگر این اتفاق در طول میوز با سلول‌های زایا رخ دهد، یا به مرگ جنین در مراحل اولیه رشد جنینی یا تولد ارگانیسمی با بیماری کروموزومی منجر می‌شود.

تولید مثل سلولی کنترل نشده در طول رشد تومور در نتیجه جهش در ژن هایی که تکثیر سلولی را کنترل می کنند رخ می دهد و انکوژن نامیده می شود. در میان بیش از 70 انکوژن شناخته شده در حال حاضر، اکثر آنها اجزای تنظیم رشد سلولی هستند، برخی از آنها فاکتورهای رونویسی هستند که فعالیت ژن را تنظیم می کنند و همچنین عواملی هستند که تقسیم و رشد سلولی را مهار می کنند. یکی دیگر از عوامل محدود کننده انبساط (گسترش) بیش از حد سلول های در حال تکثیر کوتاه شدن انتهای کروموزوم ها - تلومرها است که در نتیجه برهمکنش فضایی صرفاً قادر به تکثیر کامل نیستند، بنابراین، پس از هر تقسیم سلولی، تلومرها با یک عدد کوتاه می شوند. بخش خاصی از پایه ها بنابراین، سلول های در حال تکثیر یک ارگانیسم بالغ، پس از تعداد معینی تقسیم (معمولاً از 20 تا 100، بسته به نوع ارگانیسم و ​​سن آن)، طول تلومر را خسته کرده و تکثیر کروموزوم بیشتر متوقف می شود. این پدیده در اپیتلیوم اسپرماتوژن، انتروسیت ها و سلول های جنینی به دلیل وجود آنزیم تلومراز که طول تلومرها را پس از هر تقسیم ترمیم می کند، رخ نمی دهد. در اکثر سلول های موجودات بالغ، تلومراز مسدود شده است، اما، متأسفانه، در سلول های تومور فعال می شود.

ارتباط بین هسته و سیتوپلاسم، انتقال مواد در هر دو جهت از طریق منافذ موجود در غشای هسته ای با مشارکت سیستم های حمل و نقل ویژه با مصرف انرژی انجام می شود. بنابراین، انرژی و مواد پلاستیکی، مولکول های سیگنال (عوامل رونویسی) به هسته منتقل می شوند. جریان معکوس، مولکول‌های mRNA و انتقال RNA (tRNA)، ریبوزوم‌های لازم برای سنتز پروتئین در سلول را وارد سیتوپلاسم می‌کند. همان روش انتقال مواد در ویروس ها، به ویژه، مانند HIV، ذاتی است. آنها مواد ژنتیکی خود را با ادغام بیشتر آن در ژنوم میزبان و انتقال RNA ویروسی تازه تشکیل شده به سیتوپلاسم برای سنتز پروتئین بیشتر ذرات ویروسی جدید به هسته سلول میزبان منتقل می کنند.

نقض فرآیندهای سنتز

فرآیندهای سنتز پروتئین در مخازن شبکه آندوپلاسمی رخ می دهد که از نزدیک با منافذ غشای هسته مرتبط است، که از طریق آن ریبوزوم ها، tRNA و mRNA وارد شبکه آندوپلاسمی می شوند. در اینجا، سنتز زنجیره‌های پلی پپتیدی انجام می‌شود که بعداً شکل نهایی خود را در شبکه آندوپلاسمی دانه‌ای و کمپلکس لایه‌ای (کمپلکس گلژی) به دست می‌آورند، جایی که آنها تحت تغییرات پس از ترجمه و ارتباط با مولکول‌های کربوهیدرات و لیپید قرار می‌گیرند. مولکول های پروتئینی تازه تشکیل شده در محل سنتز باقی نمی مانند، بلکه با کمک یک فرآیند پیچیده تنظیم شده، که به نام حرکت پروتئین، به طور فعال به آن بخش جدا شده از سلول منتقل می شوند و در آنجا عملکرد مورد نظر خود را انجام می دهند. در این مورد، یک گام بسیار مهم، ساختار مولکول منتقل شده در یک پیکربندی فضایی مناسب است که قادر به انجام عملکرد ذاتی خود باشد. چنین ساختاری با کمک آنزیم های خاص یا روی ماتریکسی از مولکول های پروتئینی تخصصی - چاپرون ها اتفاق می افتد، که به مولکول پروتئین، که به تازگی تشکیل شده یا به دلیل تأثیر خارجی تغییر یافته است، کمک می کند تا ساختار سه بعدی صحیح را به دست آورد. در صورت اثر نامطلوب بر روی سلول، هنگامی که احتمال نقض ساختار مولکول های پروتئین وجود دارد (به عنوان مثال، با افزایش دمای بدن، یک فرآیند عفونی، مسمومیت)، غلظت چاپرون ها در سلول به شدت افزایش می یابد. بنابراین به این گونه مولکول ها نیز گفته می شود پروتئین های استرس، یا پروتئین های شوک حرارتی. نقض ساختار یک مولکول پروتئین منجر به تشکیل کنگلومراهای بی اثر شیمیایی می شود که در داخل یا خارج سلول رسوب می کنند در صورت بروز آمیلوئیدوز، بیماری آلزایمر و غیره معیوب خواهند بود. این وضعیت در بیماری های به اصطلاح پریون (اسکراپی گوسفند، هاری گاو، کورو، بیماری کروتسفلد-ژاکوب در انسان) رخ می دهد، زمانی که نقص در یکی از پروتئین های غشایی یک سلول عصبی باعث تجمع بعدی توده های بی اثر در داخل سلول می شود. و اختلال در فعالیت حیاتی آن.

نقض فرآیندهای سنتز در سلول می تواند در مراحل مختلف آن رخ دهد: رونویسی RNA در هسته، ترجمه پلی پپتیدها در ریبوزوم ها، اصلاح پس از ترجمه، هیپرمتیلاسیون و گلیکوزیلاسیون مولکول بژ، انتقال و توزیع پروتئین ها در سلول و حذف آنها. به بیرون در این حالت می توان افزایش یا کاهش تعداد ریبوزوم ها ، تجزیه پلی ریبوزوم ها ، انبساط مخازن شبکه آندوپلاسمی دانه ای ، از بین رفتن ریبوزوم ها توسط آن ، تشکیل وزیکول ها و واکوئل ها را مشاهده کرد. بنابراین، در صورت مسمومیت با وزغ کم رنگ، آنزیم RNA پلیمراز آسیب می بیند که رونویسی را مختل می کند. سم دیفتری، عامل افزایش طول را غیرفعال می کند، فرآیندهای ترجمه را مختل می کند و باعث آسیب به میوکارد می شود. دلیل نقض سنتز برخی از مولکول های پروتئین خاص می تواند عوامل عفونی باشد. برای مثال، ویروس‌های هرپس سنتز و بیان مولکول‌های آنتی ژن MHC را مهار می‌کنند، که به آن‌ها اجازه می‌دهد تا حدی از کنترل ایمنی اجتناب کنند و باسیل‌های طاعون سنتز واسطه‌های التهاب حاد را مهار می‌کنند. ظهور پروتئین های غیر معمول می تواند تجزیه بیشتر آنها را متوقف کند و منجر به تجمع مواد بی اثر یا حتی سمی شود. تا حدی، اختلال در فرآیندهای پوسیدگی نیز می تواند به این امر کمک کند.

نقض فرآیندهای پوسیدگی

همزمان با سنتز پروتئین در سلول، پوسیدگی آن به طور مداوم رخ می دهد. در شرایط عادی، این امر اهمیت تنظیمی و تشکیل دهنده مهمی دارد، به عنوان مثال، در هنگام فعال شدن اشکال غیر فعال آنزیم ها، هورمون های پروتئینی و پروتئین های چرخه میتوزی. رشد و نمو سلولی طبیعی نیازمند تعادل کنترل شده بین سنتز و تخریب پروتئین ها و اندامک ها است. با این حال، در فرآیند سنتز پروتئین، به دلیل اشتباهات در عملکرد دستگاه سنتز، ساختار غیر طبیعی مولکول پروتئین، آسیب آن توسط عوامل شیمیایی و باکتریایی، تعداد نسبتاً زیادی مولکول معیوب دائماً تشکیل می شود. بر اساس برخی برآوردها، سهم آنها حدود یک سوم کل پروتئین های سنتز شده است.

سلول های پستانداران چندین اصلی دارند مسیرهای تخریب پروتئین:از طریق پروتئازهای لیزوزومی (پنتید هیدرولاز)، پروتئینازهای وابسته به کلسیم (اندوپپتیدازها) و سیستم پروتئازوم. علاوه بر این، پروتئینازهای تخصصی مانند کاسپازها نیز وجود دارد. اندامک اصلی که در آن تجزیه مواد در سلول های یوکاریوتی رخ می دهد، لیزوزوم است که حاوی آنزیم های هیدرولیتیک متعددی است. با توجه به فرآیندهای اندوسیتوز و انواع مختلف اتوفاژی در لیزوزوم ها و فاگولیزوزوم ها، مولکول های پروتئین معیوب و کل اندامک ها از بین می روند: میتوکندری های آسیب دیده، بخش هایی از غشای پلاسما، برخی از پروتئین های خارج سلولی، محتویات گرانول های ترشحی.

یک مکانیسم مهم تخریب پروتئین، پروتئازوم است، یک ساختار پروتئیناز چند کاتالیستی پیچیده که در سیتوزول، هسته، شبکه آندوپلاسمی و روی غشای سلولی قرار دارد. این سیستم آنزیمی مسئول تجزیه پروتئین های آسیب دیده و همچنین پروتئین های سالم است که برای عملکرد طبیعی سلول باید حذف شوند. در این مورد، پروتئین هایی که باید از بین بروند، ابتدا با یک پلی پپتید خاص یوبیکوئیتین ترکیب می شوند. با این حال، پروتئین های غیر همگانی نیز می توانند تا حدی در پروتئازوم ها از بین بروند. تجزیه یک مولکول پروتئین در پروتئازوم ها به پلی پپتیدهای کوتاه (در حال پردازش) با ارائه بعدی آنها همراه با مولکول های MHC نوع I یک پیوند مهم در اجرای کنترل ایمنی هموستاز آنتی ژنی بدن است. هنگامی که عملکرد پروتئازوم ضعیف می شود، تجمع پروتئین های آسیب دیده و غیر ضروری رخ می دهد که با پیری سلول همراه است. نقض تخریب پروتئین های وابسته به سیکلین منجر به نقض تقسیم سلولی، تخریب پروتئین های ترشحی - به توسعه سیستوفیبروز می شود. برعکس، افزایش عملکرد پروتئازوم با تخلیه بدن (ایدز، سرطان) همراه است.

با نقض ژنتیکی تعیین شده در تخریب پروتئین، ارگانیسم زنده نیست و در مراحل اولیه جنین می میرد. اگر تجزیه چربی ها یا کربوهیدرات ها مختل شود، بیماری های انباشتگی (thesaurismoses) رخ می دهد. در همان زمان، مقدار زیادی از مواد خاص یا محصولات تجزیه ناقص آنها - لیپیدها، پلی ساکاریدها - در داخل سلول تجمع می یابد که به طور قابل توجهی به عملکرد سلول آسیب می رساند. اغلب در اپیتلیوسیت های کبد (هپاتوسیت ها)، نورون ها، فیبروبلاست ها و ماکروفاگوسیت ها مشاهده می شود.

اختلالات اکتسابی فرآیندهای تجزیه مواد می تواند در نتیجه فرآیندهای پاتولوژیک (به عنوان مثال، دیستروفی پروتئین، چربی، کربوهیدرات و رنگدانه) رخ دهد و با تشکیل مواد غیر معمول همراه باشد. نقض سیستم پروتئولیز لیزوزومی منجر به کاهش انطباق در هنگام گرسنگی یا افزایش بار، بروز برخی از اختلالات غدد درون ریز - کاهش سطح انسولین، تیروگلوبولین، سیتوکین ها و گیرنده های آنها می شود. نقض تخریب پروتئین سرعت بهبود زخم را کاهش می دهد، باعث ایجاد آترواسکلروز می شود و بر پاسخ ایمنی تأثیر می گذارد. تحت هیپوکسی، تغییرات در pH داخل سلولی، آسیب تشعشع، که با افزایش پراکسیداسیون لیپیدهای غشاء مشخص می شود، و همچنین تحت تأثیر مواد لیزوزوموتروپ - اندوتوکسین های باکتریایی، متابولیت های قارچ های سمی (اسپوروفوسارین)، کریستال های اکسید سیلیکون - پایداری غشای لیزوزوم تغییرات، آنزیم های لیزوزومی فعال شده در سیتوپلاسم آزاد می شوند که باعث تخریب ساختارهای سلولی و مرگ آن می شود.

فصل 1

مبانی فیزیولوژی سلولی

I. دودل

غشای پلاسمایی . سلول های حیوانی توسط غشای پلاسمایی محدود می شوند (شکل 1.1). ما در مورد ساختار آن، که بسیار شبیه به ساختار بسیاری از غشاهای درون سلولی است، با جزئیات بیشتری صحبت خواهیم کرد. ماتریس اصلی غشاء شامل لیپیدهابه طور عمده فسفاتیدیل کولین. این لیپیدها از یک گروه سر آبدوست تشکیل شده اند که زنجیره های هیدروکربنی آبگریز طولانی به آن متصل است. در آب، چنین لیپیدهایی به طور خود به خود یک لایه دو لایه به ضخامت 4 تا 5 نانومتر تشکیل می دهند که در آن گروه های آب دوست رو به محیط آبی هستند و زنجیره های هیدروکربنی آبگریز در دو ردیف مرتب شده اند و یک فاز لیپیدی بی آب را تشکیل می دهند. غشاهای سلولی دو لایه لیپیدی از این نوع هستند و حاوی گلیکولیپیدها، کلسترول و فسفولیپیدها هستند (شکل 1.2). بخش آبدوست گلیکولیپیدها توسط الیگوساکاریدها تشکیل می شود. گلیکولیپیدها همیشه در سطح خارجی غشای پلاسمایی قرار دارند و قسمت اولیگوساکاریدی مولکول مانند موی غوطه ور در محیط جهت گیری می کند. پراکنده در بین فسفولیپیدها در مقادیر تقریبا مساوی از مولکول های کلسترول غشاء را تثبیت می کند. توزیع لیپیدهای مختلف در لایه های داخلی و خارجی غشا یکسان نیست و حتی در داخل همان لایه مناطقی وجود دارد که انواع خاصی از لیپیدها در آنها متمرکز شده اند. چنین توزیع نابرابر

برنج. 1.1. ترسیم شماتیک سلولی که مهم ترین اندامک ها را نشان می دهد

احتمالاً اهمیت عملکردی هنوز مبهم دارد.

عناصر عملکردی اصلی غوطه ور در ماتریس لیپیدی نسبتاً بی اثر غشاء هستند سنجاب ها(شکل 1.2). پروتئین بر حسب وزن در غشاهای مختلف از 25 تا 75 درصد متغیر است، اما از آنجایی که مولکول های پروتئین بسیار بزرگتر از مولکول های لیپید هستند، 50 درصد وزنی معادل نسبت 1 مولکول پروتئین به 50 مولکول چربی است. برخی از پروتئین ها از سطح بیرونی به درونی غشا نفوذ می کنند، در حالی که برخی دیگر در یک لایه ثابت می شوند. مولکول های پروتئین معمولاً به گونه ای جهت گیری می شوند که گروه های آبگریز آنها در غشای لیپیدی و گروه های آب دوست قطبی روی سطح غشاء در فاز آبی غوطه ور می شوند. بسیاری از پروتئین های سطح بیرونی غشاء گلیکوپروتئین هستند. گروه ساکارید آبدوست آنها با محیط خارج سلولی روبرو هستند.

سیستم های غشایی اندامک های داخل سلولی .

تقریباً نیمی از حجم سلول توسط اندامک های جدا شده از سیتوزول توسط غشاها اشغال می شود. سطح کل غشاهای اندامک های داخل سلولی حداقل 10 برابر سطح غشای پلاسمایی است. پرکاربردترین سیستم غشایی است شبکه آندوپلاسمی،به نمایندگی از یک شبکه

برنج. 1.2.نمایش شماتیک غشای پلاسمایی. پروتئین ها در دولایه فسفولیپیدی تعبیه شده اند، برخی از آنها روی دولایه قرار دارند در حالی که برخی دیگر فقط به لایه بیرونی یا داخلی متصل می شوند.

لوله های بسیار پیچیده یا ساختارهای کشیده ساکولار؛ نواحی بزرگی از شبکه آندوپلاسمی با ریبوزوم ها پر شده است. چنین شبکه ای دانه ای یا خشن نامیده می شود (شکل 1.1). دستگاه گلژیهمچنین از لاملاهای متصل به غشاء تشکیل شده است که وزیکول ها یا وزیکول ها از آن جدا می شوند (شکل 1.1). لیزوزوم ها و پراکسی زوم هاوزیکول های تخصصی کوچک هستند. در تمام این اندامک های متنوع، غشاء و فضایی که آن را پوشانده است شامل مجموعه خاصی از آنزیم ها است. در داخل اندامک ها، محصولات متابولیک ویژه ای تجمع می یابد که برای انجام عملکردهای مختلف اندامک ها استفاده می شود.

هستهو میتوکندریاین تفاوت در این است که هر یک از این اندامک ها توسط دو غشاء احاطه شده است. هسته مسئول کنترل جنبشی متابولیسم است. غشای میتوکندری داخلی چین شده محل متابولیسم اکسیداتیو است. در اینجا، به دلیل اکسیداسیون پیروات یا اسیدهای چرب، یک ترکیب پرانرژی آدنوزین تری فسفات (ATP یا ATP) سنتز می شود.

اسکلت سلولی . سیتوپلاسم احاطه کننده اندامک ها را به هیچ وجه نمی توان آمورف در نظر گرفت. توسط شبکه ای از اسکلت سلولی نفوذ می کند. اسکلت سلولی از میکروتوبول ها، رشته های اکتین و رشته های میانی تشکیل شده است (شکل 1.1). میکروتوبول هادارای قطر بیرونی حدود 25 نانومتر؛ آنها مانند یک پلیمر معمولی در نتیجه مونتاژ مولکول های پروتئین توبولین تشکیل می شوند. رشته های اکتین -الیاف انقباضی واقع در لایه نزدیک غشاء و در سراسر سلول - عمدتاً در فرآیندهای مرتبط با حرکت شرکت می کنند. رشته های میانیاز بلوک هایی با ترکیب شیمیایی مختلف در انواع مختلف سلول تشکیل شده است. آنها پیوندهای مختلفی را بین دو عنصر دیگر اسکلت سلولی که در بالا ذکر شد تشکیل می دهند. اندامک ها و غشای پلاسمایی نیز با اسکلت سلولی مرتبط هستند که نه تنها شکل سلول و موقعیت اندامک ها را در آن حفظ می کند، بلکه تغییر شکل سلول و تحرک آن را نیز تعیین می کند.

سیتوزول . حدود نیمی از حجم سلول توسط سیتوزول اشغال شده است. از آنجا که تقریباً 20٪ (از نظر وزن) پروتئین است، بیشتر یک ژل است تا یک محلول آبی. مولکول های کوچک، از جمله آلی و معدنی یون ها،در فاز آبی حل می شود. بین سلول و محیط (فضای خارج سلولی) تبادل یون وجود دارد. این فرآیندهای مبادله در بخش بعدی مورد بحث قرار خواهند گرفت. غلظت یون ها در فضای خارج سلولی با دقت قابل توجهی در سطح ثابتی حفظ می شود. غلظت درون سلولی هر یک از یون ها نیز دارای سطح خاصی است که با غلظت خارج از سلول متفاوت است (جدول 1.1). رایج ترین کاتیون در محیط خارج سلولی است Na+ در سلول، غلظت آن بیش از 10 برابر کمتر است. برعکس، در داخل سلول غلظت K + بالاترین است، در خارج از سلول بیش از یک مرتبه قدر کمتر است. بیشترین شیب بین غلظت های خارج سلولی و درون سلولی برای Ca2+ وجود دارد که غلظت یون های آزاد آن در داخل سلول حداقل 10000 برابر کمتر از خارج از آن است. همه یون ها در سیتوزول حل نمی شوند، برخی از آنها روی پروتئین ها جذب می شوند یا در اندامک ها رسوب می کنند. به عنوان مثال، در مورد Ca 2+ یون های محدود بسیار بیشتر از یون های آزاد هستند. بیشتر پروتئین های سیتوزول آنزیم هایی هستند که با مشارکت آنها بسیاری از فرآیندهای متابولیسم میانی انجام می شود: گلیکولیز و گلوکونئوژنز، سنتز یا تخریب اسیدهای آمینه، سنتز پروتئین روی ریبوزوم ها (شکل 1.1). سیتوزول همچنین حاوی قطرات لیپید و گرانول های گلیکوژن است که به عنوان ذخایر مولکول های مهم عمل می کنند.

جدول 1.1.غلظت های درون و خارج سلولی یون ها در سلول های عضلانی حیوانات همیوترمیک ولی – – آنیون های سلولی با وزن مولکولی بالا

1.2. تبادل مواد بین سلول و محیط

ما به طور مختصر ساختار سلول را شرح داده ایم تا از این توصیف برای بررسی اصول فیزیولوژی سلولی استفاده کنیم. در هیچ موردی نمی توان یک سلول را یک تشکیلات ایستا در نظر گرفت، زیرا تبادل مداوم مواد بین محفظه های مختلف درون سلولی و همچنین بین محفظه ها و محیط وجود دارد. ساختارهای سلول در تعادل دینامیکی هستند و تعامل سلول ها با یکدیگر و با محیط خارجی شرط لازم برای حفظ حیات یک موجود زنده است. در این فصل، مکانیسم‌های اساسی چنین تبادلی را در نظر خواهیم گرفت. در فصل‌های بعدی، این مکانیسم‌ها در رابطه با سلول عصبی و عملکردهای آن مورد بررسی قرار خواهند گرفت.

با این حال، مکانیسم های یکسانی زیربنای عملکرد همه اندام های دیگر است.

انتشار.ساده ترین فرآیند حرکت یک ماده، انتشار است. در محلول‌ها (یا گازها)، اتم‌ها و مولکول‌ها آزادانه حرکت می‌کنند و اختلاف غلظت‌ها با انتشار متعادل می‌شود. دو حجم پر از مایع یا گاز را در نظر بگیرید (شکل 1.3)، که در آنها مواد دارای غلظت هستند c1 و c2 و توسط لایه ای با سطح A و ضخامت جدا می شودد جریان ماده m در زمان t شرح داده شده قانون اول انتشار فیک:

dm/ dt= Dآ/ د ( سی 1 –С 2)=Dآ/ دD سی(1)

که در آن D ضریب انتشار است که برای یک ماده، حلال و دما ثابت است. به شکل کلی تر، برای تفاوت غلظت dc در فاصله dx

dm/dt= -D A dc/dx،(2)

جریان از طریق بخش A متناسب با گرادیان غلظت است dc/dx . علامت منفی در معادله ظاهر می شود زیرا تغییر غلظت در جهت x منفی است.

انتشار مهمترین فرآیندی است که توسط آن بیشتر مولکول های موجود در محلول های آبی در فواصل کوتاه حرکت می کنند. این امر در مورد حرکت آنها در سلول نیز صدق می کند تا جایی که انتشار توسط غشاها مانع نمی شود. بسیاری از مواد می توانند آزادانه از طریق غشاهای لیپیدی، به ویژه آب و گازهای محلول مانند O 2 و CO 2 منتشر شوند. محلول در چربی

برنج. 1.3.طرح کمی انتشار. این دو فضا توسط یک لایه ضخیم از هم جدا شده انددو منطقه ولی. C؛ - غلظت بالای ذرات در قسمت چپ حجم، C: - غلظت کم ذرات در سمت راست قطعات، سطح صورتیگرادیان غلظت در لایه انتشار است. شار انتشار dm/dt - ببینید معادله 1)

مواد نیز به خوبی از طریق غشاها پخش می شوند. این همچنین در مورد مولکول های قطبی نسبتا کوچک مانند اتانول و اوره صدق می کند، در حالی که قندها به سختی از لایه لیپیدی عبور می کنند. در عین حال، لایه‌های لیپیدی عملاً در برابر مولکول‌های باردار از جمله حتی یون‌های معدنی غیرقابل نفوذ هستند. برای غیر الکترولیت ها، معادله انتشار (1) معمولاً با ترکیب ویژگی های غشاء و ماده منتشر کننده به یک تبدیل می شود. پارامتر نفوذپذیری (P):

dm/dt=P AD ج.(3)

روی انجیر 1.4 مقایسه شده است نفوذپذیری (P) غشای لیپیدی برای مولکول های مختلف.

انتشار از طریق منافذ غشایی . غشای پلاسمایی (و سایر غشای سلولی) نه تنها به موادی که در لایه لیپیدی منتشر می شوند، بلکه برای بسیاری از یون ها، قندها، اسیدهای آمینه و نوکلئوتیدها نیز نفوذپذیر هستند. این مواد از طریق منافذ تشکیل شده از غشاء عبور می کنند پروتئین های انتقال دهنده،در غشا تعبیه شده است. در داخل چنین پروتئین هایی، یک کانال پر از آب با قطر کمتر از 1 نانومتر وجود دارد که مولکول های کوچک می توانند از طریق آن پخش شوند. آنها در امتداد یک گرادیان غلظت حرکت می کنند و اگر بار حمل کنند، حرکت آنها در کانال ها نیز توسط پتانسیل غشایی تنظیم می شود. کانال های غشایی نسبتا انتخابی هستند

برنج. 1.4.نفوذپذیری دو لایه لیپیدی مصنوعی برای مواد مختلف

در رابطه با نوع مولکول هایی که می توانند از آنها عبور کنند، برای مثال کانال های پتاسیم، سدیم و کلسیم وجود دارد که هر کدام تقریباً به هر یونی غیر از یک یون خاص نفوذ ناپذیر است. چنین گزینش پذیریبه دلیل بار یا ساختار محل های اتصال در دیواره های کانال، که حمل و نقل یک مولکول خاص را تسهیل می کند و از نفوذ سایر مواد از طریق کانال جلوگیری می کند. 1.5، الف) .

پشت رفتار کانال های یونی غشاییمشاهده آن آسان است، زیرا جریان حاصل از حرکت یون ها را می توان اندازه گیری کرد، و حتی برای یک کانال. نشان داده شده است که کانال ها به طور خود به خود و با فرکانس بالا حالت خود را از باز به بسته تغییر می دهند. کانال پتاسیم با پالس های جریان با دامنه حدود 2 pA (2 10 -12 A) و مدت زمان چند میلی ثانیه مشخص می شود (شکل 2.12، ص 37 را ببینید) [3]. در این مدت ده ها هزار یون از آن عبور می کنند. انتقال پروتئین ها از یک ترکیب به ترکیب دیگر توسط پراش اشعه ایکس، طیف سنجی موسباور و رزونانس مغناطیسی هسته ای (NMR) مورد مطالعه قرار می گیرد. بنابراین پروتئین ها ساختارهای بسیار پویا و متحرکی هستند و کانالی که از طریق پروتئین می گذرد فقط یک لوله سفت و سخت پر از آب نیست (شکل 1.5A) بلکه هزارتویی از گروه ها و بارهای مولکولی سریع در حال حرکت است. این پاسخ پویا کانال در منعکس می شود مشخصات انرژی کانال،در شکل نشان داده شده است. 1.5، B. در اینجا، آبسیسا طول کانال را از یک محلول خارجی با غلظت یون C 0 و پتانسیل 0 تا یک محلول داخلی با غلظت C 1 و پتانسیل E نشان می دهد. محور y.

برنج. 1.5.الف. طرح پروتئینی که یک کانال پتاسیمی را تشکیل می دهد که در دولایه لیپیدی غشای پلاسمایی تعبیه شده است. چهار بار منفی روی "دیوار" کانال ثابت شده است. B. نمایه انرژی شماتیک کانال نشان داده شده در شکل. الف. در محور y، مقادیر انرژی جنبشی لازم برای عبور کانال رسم می شود. در امتداد محور آبسیسا، فواصل بین سطوح داخلی و خارجی غشا. حداقل انرژی مربوط به محل اتصال یون های دارای بار مثبت با بارهای منفی ثابت در دیواره کانال است. حداکثر انرژی مربوط به موانع انتشار در کانال است. فرض بر این است که ترکیب پروتئین کانال به طور خود به خود نوسان می کند. گزینه های پروفیل های انرژی با خطوط توپر و چین نشان داده می شوند. این نوسانات اتصال یون ها را هنگام غلبه بر سد انرژی (اما با تغییرات) بسیار تسهیل می کند.

سطوح انرژی یون در محل اتصال کانال نشان داده شده است. اوج در نمودار نشان دهنده مانع نفوذپذیری است که انرژی یونی باید بر آن غلبه کند تا به کانال نفوذ کند، و "شیب" نمودار نشان دهنده یک حالت نسبتاً پایدار (بایدینگ) است. علیرغم انسداد پیک انرژی، اگر نمایه انرژی به طور خود به خود در چرخه باشد، یک یون می تواند به کانال نفوذ کند. بنابراین، یون می تواند ناگهان "در طرف دیگر" اوج انرژی ظاهر شود و می تواند به حرکت خود به داخل سلول ادامه دهد. بسته به بار، اندازه، و درجه هیدراتاسیون یون و توانایی آن برای اتصال به ساختارهای دیواره کانال، مشخصات انرژی کانال برای یون‌های مختلف متفاوت است که می‌تواند انتخاب‌پذیری انواع مجزای کانال‌ها را توضیح دهد.

تعادل انتشار یونها . انتشار یون‌های مختلف از طریق کانال‌های غشایی باید منجر به حذف تفاوت‌های غلظت بین محیط‌های خارج و داخل سلولی شود. با این حال، همانطور که از جدول مشاهده می شود. 1.1، چنین تفاوت هایی وجود دارد، بنابراین باید برخی از آنها وجود داشته باشد تعادلبین انتشار و سایر فرآیندهای انتقال در سراسر غشا. دو بخش بعدی به راه هایی می پردازد که در آن چنین تعادلی برقرار می شود. در مورد یون ها، تعادل انتشار تحت تأثیر بار آنها قرار می گیرد. انتشار مولکول های بدون بار توسط اختلاف غلظت فراهم می شوددی سی و هنگامی که غلظت ها برابر می شوند، انتقال واقعی متوقف می شود. ذرات باردار علاوه بر این تحت تأثیر میدان الکتریکی قرار می گیرند. به عنوان مثال، هنگامی که یک یون پتاسیم از یک سلول در امتداد گرادیان غلظت خود خارج می شود، حامل یک بار مثبت است. بنابراین، محیط درون سلولی بار منفی بیشتری پیدا می کند و در نتیجه اختلاف پتانسیل در سراسر غشاء ایجاد می شود. بار منفی درون سلولی از خروج یون‌های پتاسیم جدید از سلول جلوگیری می‌کند و آن یون‌هایی که با این وجود سلول را ترک می‌کنند، بار روی غشاء را بیشتر می‌کنند. جریان یون های پتاسیم زمانی متوقف می شود که عمل میدان الکتریکی فشار انتشار را به دلیل اختلاف غلظت ها جبران کند. یون ها همچنان از غشاء عبور می کنند، اما به مقدار مساوی در هر دو جهت. بنابراین، برای یک تفاوت معین در غلظت یون در غشاء، وجود دارد پتانسیل تعادل Eیون که در آن جریان یون ها از طریق غشا متوقف می شود. پتانسیل تعادل را می توان به راحتی با استفاده از آن تعیین کرد معادلات نرنست:

Eیون= آرتی/ zاف* لوگاریتمبیرون/ سی در(4)

جایی که R ثابت گاز است، T دمای مطلق است، z ظرفیت یون است (برای آنیون ها منفی است)بیرون غلظت یون خارج سلولی است،سی در غلظت درون سلولی یون است،اف شماره فارادی اگر ثابت ها را در معادله جایگزین کنیم، در دمای بدن (T = 310 K) پتانسیل تعادل برای یون های پتاسیم E K برابر است:

اک= –61 مترB log /(5)

اگر [ K + خارج ]/[ K + داخل ] = 39، مطابق جدول زیر. 1.1، سپس

Ek= -61 m B log 39= -97 mV.

در واقع، مشخص شد که همه سلول ها دارند پتانسیل غشایی؛در سلول های ماهیچه ای پستانداران، سطح آن در حدود -90 میلی ولت است. بسته به شرایط و غلظت نسبی یون ها، سلول ها می توانند پتانسیل غشایی در محدوده 40- تا 120- میلی ولت داشته باشند. برای سلول در مثال بالا (جدول 1.1) پتانسیل استراحت،برابر با 90- میلی ولت، نشان می دهد که شار یون های پتاسیم از طریق کانال های غشایی تقریباً در تعادل هستند. این تعجب آور نیست، زیرا حالت باز کانال های پتاسیم در غشای استراحت محتمل ترین است. غشاء در برابر یون های پتاسیم بیشترین نفوذ را دارد. پتانسیل غشاء، با این حال، توسط شار یون های دیگر نیز تعیین می شود.

سهولت انتشار ذرات بدون بار از طریق غشاء در رابطه (3) تعیین شده است. نفوذپذیری در برابر ذرات باردار با یک معادله کمی پیچیده تر توصیف می شود:

پ= متر آرتی/ dF(6)

جایی که مترتحرک یون در غشا است،د - ضخامت غشاء a R، T و F ثابت های ترمودینامیکی شناخته شده مقادیر نفوذپذیری برای یون های مختلف تعیین شده به این روش می تواند برای محاسبه پتانسیل غشا استفاده شود Em هنگامی که یون های پتاسیم، سدیم و کلرید به طور همزمان از غشاء عبور می کنند (با نفوذپذیری P K، P Na و P Cl به ترتیب). فرض بر این است که پتانسیل به طور یکنواخت در غشا کاهش می یابد، به طوری که قدرت میدان ثابت است. در این مورد اعمال می شود معادله گلدمن یا معادله میدان ثابت :

Em= R T/ F * ln(P K + P Na + P Cl )/ (P K + P Na + P Cl )(7)

برای اکثر غشاهای سلولی Pک حدود 30 برابر بالاتر از R Na (به بخش 1.3 نیز مراجعه کنید). ارزش نسبی PCl بسیار متفاوت است؛ برای بسیاری از غشاها PCl کوچک در مقایسه با Rک اما برای دیگران (مثلاً در عضله اسکلتی) PCl ، بسیار بالاتر از Rک.

حمل و نقل فعال، پمپ سدیم . بخش قبل انتشار غیرفعال یون ها و پتانسیل غشایی حاصل را در غلظت های یون داخل و خارج سلولی مشخص می کند. با این حال، در نتیجه این فرآیند، غلظت یون ها در داخل سلول به طور خودکار تثبیت نمی شود، زیرا غشاء

پتانسیل کمی الکترونگاتیو تر از E K و خیلی بیشتر در مقایسه با E Na (حدود +60 میلی ولت). به دلیل انتشار، غلظت یون های درون سلولی، حداقل پتاسیم و سدیم، باید با یون های خارج سلولی برابر شود. پایداری گرادیان یونی از طریق حمل و نقل فعال حاصل می شود: پروتئین های غشایی یون ها را در سراسر غشاء در برابر گرادیان های الکتریکی و (یا) غلظت منتقل می کنند و انرژی متابولیک را برای این کار مصرف می کنند. مهمترین فرآیند حمل و نقل فعال کار است Na/K - پمپی که تقریباً در تمام سلول ها وجود دارد.

پمپ یون های سدیم را از سلول خارج می کند و همزمان یون های پتاسیم را به داخل سلول پمپ می کند. این امر غلظت کم یون سدیم داخل سلولی و پتاسیم بالا را تضمین می کند (جدول 1.1). گرادیان غلظت یون‌های سدیم روی غشاء عملکردهای ویژه‌ای با انتقال اطلاعات به شکل تکانه‌های الکتریکی دارد (به بخش 2.2 مراجعه کنید)، و همچنین با حفظ سایر مکانیسم‌های انتقال فعال و تنظیم حجم سلول (به زیر مراجعه کنید). بنابراین، جای تعجب نیست که بیش از 1/3 انرژی مصرف شده توسط سلول صرف پمپ Na/K شود و در برخی از فعال ترین سلول ها تا 70 درصد انرژی صرف عملکرد آن می شود.

پروتئین انتقال Na/K یک ATPase است. در سطح داخلی غشا، ATP را به ADP و فسفات تجزیه می کند (شکل 1.6). انرژی یک مولکول ATP برای انتقال سه یون سدیم از سلول و همزمان دو یون پتاسیم به داخل سلول استفاده می شود، یعنی در مجموع یک بار مثبت در یک چرخه از سلول حذف می شود. بنابراین پمپ Na/K است الکتروژنیک(یک جریان الکتریکی از طریق غشا ایجاد می کند) که منجر به افزایش الکترونگاتیوی پتانسیل غشا تقریباً 10 میلی ولت می شود. پروتئین انتقال این عمل را با سرعت بالایی انجام می دهد: از 150 تا 600 یون سدیم در ثانیه. توالی اسید آمینه پروتئین انتقال شناخته شده است، اما مکانیسم این انتقال تبادل پیچیده هنوز مشخص نیست. این فرآیند با استفاده از پروفایل های انرژی انتقال یون های سدیم یا پتاسیم توسط پروتئین ها توصیف شده است (شکل 1.5.5). با توجه به ماهیت تغییر در این پروفایل ها که با تغییرات مداوم در ترکیب پروتئین حمل و نقل (فرآیندی که نیاز به انرژی دارد)، می توان در مورد استوکیومتری تبادل قضاوت کرد: دو یون پتاسیم با سه یون سدیم مبادله می شوند.

پمپ Na/K، مانند عایق Na+ /K + ATPase غشایی وابسته، که به طور خاص توسط گلیکوزید قلبی اوابائین (استروفانتین) مهار می شود. از آنجایی که عملکرد پمپ Na/K یک واکنش شیمیایی چند مرحله‌ای است، مانند تمام واکنش‌های شیمیایی، تا حد زیادی به دما وابسته است.

برنج. 1.6.طرح Na/K-pump-ATPase (غوطه ور در دولایه لیپیدی غشای پلاسمایی) که در یک چرخه سه یون Na + را از سلول در برابر شیب پتانسیل و غلظت خارج می کند و دو یون K را به داخل سلول می آورد. + . در طی این فرآیند، یک مولکول ATP به ADP و فسفات تقسیم می شود. در نمودار، ATPase به عنوان یک دایمر متشکل از یک زیر واحد بزرگ (عملکردی) و یک زیر واحد کوچک نشان داده شده است. در غشاء به صورت یک تترامر وجود دارد که توسط دو زیر واحد بزرگ و دو زیر واحد کوچک تشکیل شده است

در شکل نشان داده شده است. 1.7. در اینجا جریان یون های سدیم از سلول های ماهیچه ای در رابطه با زمان نشان داده شده است. این عملاً معادل جریان یون‌های سدیم است که با عملکرد پمپ Na/K انجام می‌شود، زیرا جریان غیرفعال یون‌های سدیم در برابر غلظت و گرادیان‌های بالقوه بسیار کم است. اگر فرآورده در حدود 18 درجه سانتیگراد خنک شود، جریان یون سدیم از سلول به سرعت 15 برابر کاهش می یابد و بلافاصله پس از حرارت دادن به سطح اولیه خود باز می گردد. چنین کاهشی در جریان یون‌های سدیم از سلول چندین برابر بیشتر از آن چیزی است که با وابستگی دمایی فرآیند انتشار یا یک واکنش شیمیایی ساده مطابقت دارد. اثر مشابهی زمانی مشاهده می شود که انرژی متابولیک در نتیجه مسمومیت با دینیتروفنول (DNP) کاهش می یابد (شکل 1.7.5). بنابراین، جریان یون های سدیم از سلول توسط یک واکنش وابسته به انرژی - یک پمپ فعال - تامین می شود. یکی دیگر از ویژگی های پمپ، همراه با وابستگی قابل توجه به دما و انرژی، وجود سطح اشباع (مانند سایر واکنش های شیمیایی) است. این بدان معنی است که با افزایش غلظت یون های انتقال یافته، سرعت پمپ نمی تواند به طور نامحدود افزایش یابد (شکل 1.8). در مقابل، جریان یک ماده منتشر کننده غیرفعال متناسب با اختلاف غلظت ها مطابق با قانون انتشار (معادلات 1 و 2) رشد می کند.

برنج. 1.7. الف، ب.حمل و نقل فعال Na + . محور Y:جریان رادیواکتیو 24 Na + از سلول (Imp./min). محور آبسیسا:زمان از شروع آزمایش ولی.سلول از 18.3 درجه سانتیگراد تا 0.5 درجه سانتیگراد خنک می شود. جریان Na+ خروج از سلول در این دوره مهار می شود. ب.سرکوب جریان Na + از سلول با دینیتروفنول (DNF) در غلظت 0.2 mmol/l (طبق اصلاح)

علاوه بر پمپ Na / K، غشای پلاسما حاوی حداقل یک پمپ دیگر است - کلسیم؛این پمپ یون های کلسیم (Ca2+) را از سلول پمپاژ می کند و در حفظ غلظت درون سلولی آنها در سطح بسیار پایین نقش دارد (جدول 1.1). پمپ کلسیم با تراکم بسیار بالایی در شبکه سارکوپلاسمی سلول های عضلانی وجود دارد که یون های کلسیم را در نتیجه تجزیه مولکول های ATP جمع می کنند (به فصل 4 مراجعه کنید).

اثرات پمپ Na/K بر پتانسیل غشا و حجم سلول . روی انجیر 1.9 اجزای مختلف جریان غشا را نشان می دهد و غلظت یون های درون سلولی را نشان می دهد.

برنج. 1.8.نسبت بین سرعت انتقال مولکول ها و غلظت آنها (در نقطه ورود به کانال یا در نقطه اتصال پمپ) در هنگام انتشار از طریق کانال یا در حین انتقال پمپ. دومی در غلظت های بالا اشباع می شود (حداکثر سرعت، Vmax ) مقدار روی آبسیسا مربوط به نیمی از حداکثر سرعت پمپ ( Vmax /2)، غلظت تعادل است به متر

برنج. 1.9.نموداری که غلظت Na+ را نشان می دهد , K+ و Cl- داخل و خارج سلول و مسیرهای نفوذ این یون‌ها به غشای سلول (از طریق کانال‌های یونی خاص یا با کمک پمپ Na/K. با گرادیان‌های غلظت داده شده، پتانسیل‌های تعادلی E Na، E K و E C l - برابر با موارد نشان داده شده، پتانسیل غشا هستند Em = – 90 میلی ولت

وجود آنها را تضمین کند. یک جریان بیرونی یون‌های پتاسیم از طریق کانال‌های پتاسیم مشاهده می‌شود، زیرا پتانسیل غشاء تا حدودی الکترومثبت‌تر از پتانسیل تعادل یون‌های پتاسیم است. رسانایی کل کانال های سدیم بسیار کمتر از رسانایی کانال های پتاسیم است. کانال‌های سدیم در حالت استراحت بسیار کمتر از کانال‌های پتاسیم باز می‌شوند. با این حال، تقریباً همان تعداد یون سدیم وارد سلول می شود که یون های پتاسیم از آن خارج می شوند، زیرا غلظت و گرادیان های بالقوه زیادی برای انتشار یون های سدیم در سلول مورد نیاز است. پمپ Na/K جبرانی ایده آل را برای جریان های انتشار غیرفعال فراهم می کند، زیرا یون های سدیم را از سلول و یون های پتاسیم را به داخل سلول منتقل می کند. بنابراین، پمپ به دلیل تفاوت در تعداد بارهای منتقل شده به داخل و خارج از سلول، الکتروژنیک است که در سرعت عادی کارکرد، پتانسیل غشایی حدود 10 ایجاد می کند. میلی ولت الکترونگاتیو تر از زمانی است که تنها توسط جریان های یون غیرفعال ایجاد شود (به معادله 7 مراجعه کنید). در نتیجه پتانسیل غشا به پتانسیل تعادل پتاسیم نزدیک می شود که نشت یون های پتاسیم را کاهش می دهد. فعالیت Na/K-pump با غلظت درون سلولی یون های سدیم تنظیم می شود. سرعت پمپ با کاهش غلظت یون‌های سدیمی که باید از سلول خارج شوند کاهش می‌یابد (شکل 1.8)، به طوری که عملکرد پمپ و جریان یون‌های سدیم به داخل سلول، یکدیگر را متعادل می‌کنند و غلظت درون سلولی را حفظ می‌کنند. یون های سدیم در سطح حدود 10 میلی مول در لیتر.

برای حفظ تعادل بین پمپاژ و جریان غیرفعال غشاء، مولکول‌های پمپ Na/K بیشتر از پروتئین‌های کانالی برای یون‌های پتاسیم و سدیم مورد نیاز است. هنگامی که کانال باز است، ده ها هزار یون در چند میلی ثانیه از آن عبور می کنند (به بالا مراجعه کنید)، و از آنجایی که کانال معمولاً چندین بار در ثانیه باز می شود، در مجموع بیش از 105 یون در این مدت از آن عبور می کند. یک پروتئین پمپ واحد در هر ثانیه چند صد یون سدیم را حرکت می دهد، بنابراین غشای پلاسما باید حدود 1000 برابر بیشتر از مولکول های کانال حاوی مولکول های پمپ باشد. اندازه گیری جریان کانال در حالت استراحت به طور متوسط ​​یک کانال باز پتاسیم و یک کانال سدیم در هر غشاء 1 میکرومتر مربع را نشان داد. از این نتیجه می شود که حدود 1000 مولکول پمپ Na/K باید در همان فضا وجود داشته باشد، یعنی. فاصله بین آنها به طور متوسط ​​34 نانومتر است. قطر پروتئین پمپاژ به عنوان یک پروتئین کانال 8-10 نانومتر است. بنابراین، غشاء به اندازه کافی متراکم با مولکول های پمپاژ اشباع شده است

این واقعیت که جریان یون‌های سدیم به داخل سلول و خروج یون‌های پتاسیم از سلول با عملکرد پمپ جبران می‌شود، پیامد دیگری نیز دارد که عبارت است از حفظ فشار اسمزی پایدار و حجم ثابتدر داخل سلول غلظت بالایی از آنیون‌های بزرگ، عمدتاً پروتئین‌ها (A - در جدول 1.1) وجود دارد که قادر به نفوذ به غشاء نیستند (یا خیلی آرام به آن نفوذ می‌کنند) و بنابراین جزء ثابتی در داخل سلول هستند. برای متعادل کردن بار این آنیون ها به تعداد مساوی کاتیون نیاز است. به دلیل عملکرد پمپ Na/K، این کاتیون ها عمدتاً یون های پتاسیم هستند. افزایش قابل توجهی در غلظت درون سلولی یون ها تنها با افزایش غلظت آنیون ها به دلیل جریان C1 - در امتداد گرادیان غلظت به داخل سلول اتفاق می افتد (جدول 1.1)، اما پتانسیل غشاء با این امر مقابله می کند. جریان ورودی Cl- فقط تا زمانی که پتانسیل تعادل برای یون های کلرید به دست آید مشاهده می شود. این زمانی مشاهده می‌شود که گرادیان یون کلرید تقریباً مخالف گرادیان یون پتاسیم باشد، زیرا یون‌های کلرید دارای بار منفی هستند (معادله 4). بنابراین، غلظت کم داخل سلولی یون های کلرید ایجاد می شود که مربوط به غلظت کم یون های پتاسیم خارج سلولی است. نتیجه این است که تعداد کل یون ها در سلول محدود می شود. اگر وقتی پمپ Na/K مسدود می شود، پتانسیل غشاء کاهش می یابد، به عنوان مثال، در هنگام آنکسی، پتانسیل تعادل برای یون های کلرید کاهش می یابد و غلظت یون های کلرید درون سلولی افزایش می یابد. با بازیابی تعادل بارها، یون های پتاسیم نیز وارد سلول می شوند. غلظت کل یون ها در سلول افزایش می یابد که باعث افزایش فشار اسمزی می شود. این باعث می شود آب وارد سلول شود. سلول متورم می شود. این تورم دیده می شود in vivo در شرایط کمبود انرژی

گرادیان غلظت Na + به عنوان یک نیروی محرکه برای حمل و نقل غشا . اهمیت پمپ Na/K-پمپ برای سلول به تثبیت شیب های طبیعی K+ و Na+ در سراسر غشاء محدود نمی شود. انرژی ذخیره شده در گرادیان غشا Na+ ، اغلب برای تامین حمل و نقل غشایی برای سایر مواد استفاده می شود. به عنوان مثال، در شکل. 1.10 "symport" را نشان می دهد Na+ و مولکول های قند وارد سلول می شوند. پروتئین انتقال غشاء مولکول قند را حتی بر خلاف گرادیان غلظت به داخل سلول می برد، در حالی که Na + در امتداد غلظت و گرادیان پتانسیل حرکت می کند و انرژی را برای حمل و نقل قندهاچنین انتقال قندها کاملاً به وجود یک گرادیان بالا بستگی دارد Na+ ; اگر غلظت داخل سلولی Na+ به طور قابل توجهی افزایش می یابد، سپس حمل و نقل قند متوقف می شود. برای انواع مختلفج آخاروف، سیستم های سمپورت مختلفی وجود دارد. انتقال اسیدهای آمینهدر قفسی شبیه حمل و نقلج آخاروف در شکل نشان داده شده است. 1.10; همچنین توسط گرادیان ارائه می شود Na+ , حداقل پنج سیستم سمپورت مختلف وجود دارد که هر کدام برای یک گروه از اسیدهای آمینه مرتبط تخصص دارند.

علاوه بر سیستم های سمپورت، نیز وجود دارد "ضد بندر".به عنوان مثال، یکی از آنها یک یون کلسیم را در یک چرخه در ازای سه یون سدیم ورودی به خارج از سلول منتقل می کند (شکل 1.10). انرژی برای انتقال Ca 2+به دلیل ورود سه یون سدیم در طول غلظت و گرادیان پتانسیل تشکیل می شود. این انرژی (در پتانسیل استراحت) برای حفظ گرادیان یون کلسیم بالا (از کمتر از 7-10 مول در لیتر در داخل سلول تا حدود 2 میلی مول در لیتر در خارج از سلول) کافی است.

اندوسیتوز و اگزوسیتوز . برای مواد خاصی که وارد سلول می شوند یا باید حذف شوند

برنج. 1.10.پروتئین های تعبیه شده در دولایه لیپیدی غشاء واسطه وارد کردن گلوکز و Na + به سلول و همچنین Ca2+/Na+ ضد بندر، که در آن نیروی محرکه گرادیان Na + روی غشای سلولی است

از آن، هیچ کانال حمل و نقل وجود ندارد. از جمله این مواد می توان به پروتئین و کلسترول اشاره کرد. آنها می توانند از طریق غشای پلاسمایی عبور کنند وزیکول هایا حباب ها،توسط اندوسیتوز و اگزوسیتوز. روی انجیر 1.11 مکانیسم های اصلی این فرآیندها را نشان می دهد. در طول اگزوسیتوز، اندامک‌های خاصی (به زیر مراجعه کنید) وزیکول‌هایی را تشکیل می‌دهند که پر از ماده‌ای هستند که باید از سلول خارج شوند، مانند هورمون‌ها یا آنزیم‌های خارج سلولی. وقتی چنین وزیکول‌هایی به غشای پلاسمایی می‌رسند، غشای لیپیدی آنها با آن ترکیب می‌شود و به این ترتیب محتویات به محیط خارجی فرار می‌کنند. در فرآیند مخالف، اندوسیتوز، غشای پلاسمایی داخل می‌شود و حفره‌ای را تشکیل می‌دهد که سپس عمیق و بسته می‌شود و یک وزیکول درون سلولی پر از مایع خارج سلولی و برخی درشت مولکول‌ها را تشکیل می‌دهد. برای اطمینان از همجوشی غشاء و بسته شدن وزیکول، عناصر انقباضی اسکلت سلولی در ارتباط با خود غشاها عمل می کنند (به زیر مراجعه کنید). اندوسیتوز همیشه شامل گرفتن محیط خارج سلولی به داخل سلول نیست. غشای سلولی حاوی گیرنده‌های خاصی برای ماکرومولکول‌هایی مانند انسولین یا آنتی‌ژن است که اغلب در گروه‌های تخصصی سازمان‌دهی شده‌اند. پس از اتصال این درشت مولکول ها به گیرنده های خود، اندوسیتوز در ناحیه غشایی اطراف گیرنده رخ می دهد و ماکرومولکول به طور انتخابی به داخل سلول منتقل می شود (شکل 1.12، B).

اندوسیتوز و اگزوسیتوز به طور مداوم در سلول ها رخ می دهد. مقدار مواد غشایی در گردش قابل توجه است. در عرض 1 ساعت، ماکروفاژ به شکل وزیکول دو برابر سطح غشای سیتوپلاسمی خود را جذب می کند. در اکثر سلول ها، گردش مواد غشایی چندان فشرده نیست، اما همچنان باید قابل توجه باشد.

برنج. 1.11.اگزوسیتوز و اندوسیتوز بالا:وزیکول داخل سلولی با دولایه لیپیدی غشای پلاسمایی ترکیب شده و به فضای خارج سلولی باز می شود. این فرآیند اگزوسیتوز نامیده می شود. در پایین:غشای پلاسمایی در یک ناحیه کوچک فرو می‌رود و از یک وزیکول پر از مواد خارج سلولی جدا می‌شود. این فرآیند اندوسیتوز نامیده می شود.

1.3. انتقال مواد در داخل سلول

اندوسیتوز و اگزوسیتوز نه تنها فرآیندهای انتقال مواد از طریق غشای سلولی است، بلکه فرآیندهای تبادل غشایی - اجزای ساختاری خود سلول است. موضوع مورد بررسی در این بخش، سایر فرآیندهای انتقال مشابه در سلول و اندامک های آن است.

برنج. 1.12. A-B.طرح فرآیندها، از جمله اگزو و اندوسیتوز. ولی.پروتئین سنتز شده در شبکه آندوپلاسمی دانه ای از طریق دستگاه گلژی به غشای پلاسمایی منتقل می شود و در آنجا توسط اگزوسیتوز ترشح می شود. ب.کلسترول متصل به ذرات LDL (لیپوپروتئین با چگالی کم) به غشای پلاسمایی متصل می شود و باعث ایجاد یک وزیکول درون سلولی در این ناحیه از غشاء می شود و به لیزوزوم ها منتقل می شود و در آنجا آزاد می شود. AT.مواد خارج سلولی گرفته شده در طول اندوسیتوز (در شکل سمت راست)از طریق سلول در وزیکول ها یا وزیکول ها منتقل می شود و از طریق اگزوسیتوز آزاد می شود (در شکل ترک کرد)

انتشار . به طور طبیعی، در سیتوزول، اختلاف غلظت با انتشار حذف می شود. همین امر در مورد مایعات موجود در اندامک ها نیز صادق است. به دلیل غلظت بالای پروتئین محلول، انتشار در اینجا بسیار کندتر از آب است. غشاهای لیپیدی - در اطراف سلول و درون اندامک ها - مایعات دو بعدی هستند که در آنها انتشار رخ می دهد. لیپیدها در دولایه غشایی در داخل لایه خود پخش می شوند و به ندرت از یکی به لایه دیگر منتقل می شوند. پروتئین های غوطه ور در آنها نیز کاملاً متحرک هستند. آنها حول محوری عمود بر غشا می چرخند یا به صورت جانبی با ثابت های انتشار بسیار متفاوت منتشر می شوند، 2 تا 10000 برابر کندتر از فسفولیپیدها. بنابراین، اگر برخی از پروتئین‌ها آزادانه در لایه لیپیدی و با سرعتی برابر با خود مولکول‌های لیپیدی حرکت کنند، برخی دیگر لنگر می‌گیرند، یعنی. به شدت با اسکلت سلولی مرتبط است. توده های "دائمی" از پروتئین های خاص در غشاء وجود دارد، مانند ساختارهای پیش و پس سیناپسی سلول های عصبی. حرکت آزادانه پروتئین‌ها را می‌توان با اتصال آنها به رنگ‌های فلورسنت نشان داد که با روشن کردن مختصر ناحیه کوچکی از غشاء با فلاش‌های کوتاه باعث درخشش می‌شوند. چنین آزمایش‌هایی نشان می‌دهد که در کمتر از 1 دقیقه پروتئین‌های متصل به رنگ به طور مساوی روی غشا در فواصل تا 10 میکرومتر توزیع می‌شوند.

انتقال فعال در غشاهای اندامک .

فرآیندهای انتقال فعال، که نقش حیاتی در عملکرد غشای پلاسمایی دارند، در داخل سلول، در غشای اندامک‌ها نیز رخ می‌دهند. محتویات خاص اندامک های مختلف تا حدی با سنتز داخلی و بخشی از طریق انتقال فعال از سیتوزول ایجاد می شود. یکی از نمونه های دومی پمپ Ca 2+ است که در بالا در شبکه سارکوپلاسمی سلول های عضلانی ذکر شد. به ویژه جالب است که در مورد سنتز ATP در میتوکندری، اصل مخالف در مورد آنچه در پمپ های ATPase غشای پلاسمایی اتفاق می افتد اعمال می شود (شکل 1.6). در طول سنتز ATP، متابولیسم اکسیداتیو منجر به تشکیل یک گرادیان تند می شود H+ روی غشاهای داخلی این گرادیان نیروی محرکه چرخه پمپ معکوس حمل و نقل فعال مولکول ها است: یون های H + در سراسر غشاء در امتداد گرادیان حرکت می کنند و انرژی آزاد شده در نتیجه این سنتز ATP از ADP و فسفات را تضمین می کند. ATP حاصل به نوبه خود انرژی سلول را فراهم می کند، از جمله برای انتقال فعال.

حمل و نقل در وزیکول . سلول دارای تعداد زیادی اندامک و وزیکول های مرتبط است (شکل 1.1). این اندامک ها و به ویژه وزیکول ها در حرکت دائمی هستند و محتویات خود را به سایر اندامک ها یا به غشای پلاسمایی منتقل می کنند. وزیکول ها همچنین می توانند مانند اندوسیتوز از غشای سلولی به اندامک ها مهاجرت کنند.

روند ترشح پروتئیندر شکل نشان داده شده است. 1.12 ولی.این پروتئین در نزدیکی هسته سلول روی ریبوزوم های مرتبط با شبکه آندوپلاسمی (به اصطلاح شبکه آندوپلاسمی دانه ای یا خشن) سنتز می شود. هنگامی که پروتئین وارد شبکه آندوپلاسمی شد، در وزیکول های انتقالی بسته بندی می شود که از اندامک جدا شده و به دستگاه گلژی مهاجرت می کنند. در اینجا آنها با مخازن دستگاه گلژی ادغام می شوند، جایی که پروتئین اصلاح می شود (یعنی تبدیل به گلیکوپروتئین می شود). در انتهای مخازن، وزیکول ها دوباره جدا می شوند. وزیکول های ترشحی حامل پروتئین اصلاح شده به سمت غشای پلاسما حرکت می کنند و محتویات خود را با اگزوسیتوز آزاد می کنند.

مثال دیگری از مسیر انتقال در یک سلول در شکل 1 نشان داده شده است. 1.12، B; جذب کلسترول توسط سلول است. کلسترول منتقل شده در خون عمدتاً با پروتئین هایی مانند ذرات مرتبط است "لیپوپروتئین با چگالی کم"(LNP). این ذرات به مکان‌های گیرنده LDL خاصی روی غشاء متصل می‌شوند که در آن اندوسیتوز رخ می‌دهد و LDL در وزیکول‌های "پوشش‌دار" به داخل سلول منتقل می‌شود. این وزیکول‌ها با هم ترکیب می‌شوند تا اندوزوم‌ها را تشکیل دهند و در طی این فرآیند «زنگ» خود را از دست می‌دهند. اندوزوم ها به نوبه خود با لیزوزوم های اولیه حاوی آنزیم های عمدتاً هیدرولیتیک ترکیب می شوند و لیزوزوم های ثانویه و بزرگتر را تشکیل می دهند. در آنها، کلسترول از ذرات LDL آزاد می شود و به سیتوزول منتشر می شود، جایی که برای سنتز غشاهای لیپیدی در دسترس می شود. وزیکول هایی که حاوی LDL نیستند نیز از اندوزوم ها جدا می شوند که به روش خاصی به غشای پلاسمایی حرکت می کنند و با آن ادغام می شوند و مواد غشایی و احتمالاً گیرنده های LDL را برمی گردانند. از لحظه ای که ذره LDL به غشاء متصل می شود، 10-15 دقیقه می گذرد تا کلسترول از لیزوزوم ثانویه آزاد شود. اختلال در اتصال و جذب LDL، به عنوان مثال، در تامین کلسترول به سلول، نقش تعیین کننده ای در ایجاد یک بیماری جدی و گسترده، آترواسکلروز ("سخت شدن" شریان ها) دارد.

بسیاری از مسیرهای حمل و نقل دیگر مشابه آنچه در شکل نشان داده شده است وجود دارد. 1.11 و 1.12،A که با کمک آنها وزیکول های خاصی در سلول حرکت می کنند. دقیقاً مشخص نیست که آنها چگونه حرکت می کنند، اما احتمالاً عناصری از اسکلت سلولی در این فرآیند نقش دارند. وزیکول ها می توانند در امتداد میکروتوبول ها سر بخورند، در این صورت به نظر می رسد انرژی برای حرکت توسط پروتئین مرتبط با وزیکول، ATPase (به زیر مراجعه کنید) تامین می شود. کاملاً غیرقابل درک است که چگونه بسیاری از وزیکول های مختلف که یکی پس از دیگری در همه جهات حرکت می کنند به مقصد می رسند. بدیهی است که آنها باید به گونه ای "علامت گذاری" شوند که توسط سیستم حمل و نقل شناسایی و به حرکت هدفمند تبدیل شود.

انتقال با تشکیل و تخریب اندامک ها . تا به حال، ما اندوسیتوز و اگزوسیتوز را به عنوان فرآیندهای انتقال محتویات وزیکول ها در نظر می گرفتیم. جنبه دیگری از این فرآیندها وجود دارد که شامل این واقعیت است که حذف مستقیم غشای پلاسمایی در یک ناحیه از سطح سلول توسط اندوسیتوز و برعکس، اضافه شدن آن به قسمت دیگر توسط اگزوسیتوز، بخش های قابل توجهی از غشای پلاسما را به حرکت در می آورد. غشاء (شکل 1.12.E)، به سلول این فرصت را می دهد، به عنوان مثال، یک رشد یا حرکت ایجاد کند.

بازآرایی های مشابهی نیز برای اسکلت سلولی، به ویژه برای ریز رشته ها و میکروتوبول ها، معمول است (شکل 1.1). میکروفیلامنت هادر درجه اول از پروتئین F-اکتینکه در نتیجه پلیمریزاسیون مونومر از سیتوزول قادر است در دسته های فیبری جمع شود. بسته‌ها پلاریزه می‌شوند، یعنی اغلب فقط از یک انتها رشد می‌کنند و مولکول‌های جدید اکتین را جمع می‌کنند، در حالی که انتهای دیگر خنثی است یا در اینجا جداسازی اتفاق می‌افتد. با توجه به این رشد قطبی، میکروفیلامنت ها به طور موثر حرکت می کنند و ساختار شبکه آنها می تواند تغییر کند. انتقال اکتین از حالت دپلیمریزه (سول) به حالت سازمان یافته (ژل) می تواند بسیار سریع تحت تأثیر سایر پروتئین ها یا تغییرات در غلظت یون رخ دهد (به زیر مراجعه کنید). همچنین پروتئین هایی وجود دارند که باعث می شوند رشته های اکتین به قطعات کوتاه تجزیه شوند. برآمدگی های نازک بسیاری از سلول ها - فیلوپودیا - حاوی یک بسته مرکزی اکتین هستند (شکل 1.1) و حرکات مختلف فیلوپودیا احتمالاً به دلیل انتقال اکتین است: پلیمریزاسیون - دپلیمریزاسیون.

میکروتوبول هاهمچنین اغلب تحت حرکات مشابهی قرار می گیرند. مکانیسم این حرکات مشابه است - پلیمریزاسیون توبولین از سیتوزول به گونه ای که یکی از انتهای میکروتوبول رشد می کند ، در حالی که دیگری یا تغییر نمی کند یا جداسازی آن در آنجا اتفاق می افتد. بنابراین، میکروتوبول، با افزودن یا حذف مناسب مواد، می تواند از طریق سیتوزول حرکت کند.

حرکات فعال اسکلت سلولی . تغییرات در ساختارهای اسکلت سلولی می تواند در نتیجه هر دو حرکت فعال و بازآرایی که در بالا توضیح داده شد رخ دهد. در بسیاری از موارد، حرکت میکروتوبول‌ها و رشته‌های اکتین توسط پروتئین‌های انقباضی انجام می‌شود که رشته‌ها یا لوله‌ها را به هم متصل می‌کنند و می‌توانند آنها را نسبت به یکدیگر حرکت دهند. سنجاب ها میوزین و دینئینموجود در سیتوزول تمام سلول ها در غلظت های نسبتاً بالا. آنها عناصری هستند که انرژی را در سلول های تخصصی (عضله) و اندامک ها (سیلیا) به حرکت تبدیل می کنند. در سلول های عضلانی، میوزین رشته های ضخیمی را به موازات رشته های اکتین تشکیل می دهد. مولکول میوزین با "سر" خود به رشته اکتین متصل می شود و با استفاده از انرژی ATP، میوزین را در امتداد مولکول اکتین جابجا می کند.سپس میوزین از اکتین جدا می شود. مجموعه بسیاری از این چرخه های اتصال-قطع منجر به یک ماکروسکوپی می شود انقباض فیبرهای عضلانی(فصل 4). Dynein نقش مشابهی را در حرکت میکروتوبول ها در طول عملیات مژه ایفا می کند (شکل 1.1). در سیتوپلاسم سلول های غیر تخصصی، میوزین و دینئین فیبرهای منظمی را تشکیل نمی دهند، اما در بیشتر موارد گروه های کوچکی از مولکول ها را تشکیل می دهند. حتی در قالب چنین سنگدانه های کوچکی، آنها قادر به حرکت رشته های اکتین یا میکروتوبول ها هستند. برنج. 1.13 این فرآیند را نشان می دهد زمانی که مولکول های میوزین قطبی شده مخالف نیز به دو رشته اکتین که در جهت مخالف قطبیده شده اند متصل می شوند. گروه‌های سر میوزین به سمت دم مولکول خم می‌شوند و ATP را مصرف می‌کنند و دو رشته اکتین در جهت مخالف تغییر می‌کنند و پس از آن میوزین از آنها جدا می‌شود. حرکاتی از این دست که در طی آن انرژی ATP به کار مکانیکی تبدیل می‌شود، می‌تواند شکل اسکلت سلولی و در نتیجه سلول‌ها را تغییر دهد و همچنین انتقال اندامک‌های مرتبط با اسکلت سلولی را فراهم کند.

انتقال آکسون

فرآیندهای حمل و نقل درون سلولی را می توان به وضوح در آکسون یک سلول عصبی نشان داد. انتقال آکسوندر اینجا به تفصیل مورد بحث قرار گرفته است تا رویدادهایی را نشان دهد که احتمالاً به روشی مشابه در اکثر سلول ها رخ می دهند. آکسونی که فقط چند میکرون قطر دارد می تواند یک متر یا بیشتر طول داشته باشد و سال ها طول می کشد تا پروتئین ها با انتشار از هسته به انتهای انتهایی آکسون حرکت کنند. مدتهاست که مشخص شده است که وقتی هر بخشی از آکسون دچار انقباض می شود، قسمت نزدیک آکسون منبسط می شود. به نظر می رسد که جریان گریز از مرکز در آکسون مسدود شده است. چنین جریان سریع انتقال آکسون می تواندبا حرکت نشانگرهای رادیواکتیو مانند آزمایش نشان داده شده در شکل نشان داده می شود. 1.14. لوسین نشاندار شده رادیواکتیو به گانگلیون ریشه پشتی تزریق شد و سپس از ساعت 2 تا 10، رادیواکتیویته در عصب سیاتیک در فاصله 166 میلی متری از اجسام نورون اندازه گیری شد. به مدت 10 ساعت، اوج رادیواکتیویته در محل تزریق تغییر قابل توجهی نداشت. اما موج رادیواکتیویته در امتداد آکسون با سرعت ثابتی در حدود 34 میلی متر در هر 2 ساعت یا 410 میلی متر در روز منتشر شد. نشان داده شده است که در تمام نورون های حیوانات همیوترمیک، انتقال سریع آکسون با سرعت یکسان اتفاق می افتد و تفاوت قابل توجهی بین رشته های نازک و بدون میلین و ضخیم ترین آکسون ها و همچنین بین رشته های حرکتی و حسی وجود ندارد. نوع نشانگر رادیواکتیو نیز بر سرعت انتقال سریع آکسونی تأثیر نمی گذارد. مواد رادیواکتیو مختلف می توانند به عنوان نشانگر عمل کنند.

برنج. 1.13.یک کمپلکس میوزین غیر عضلانی با جهت گیری خاص می تواند به رشته های اکتین با قطبیت های مختلف متصل شود و با استفاده از انرژی ATP آنها را نسبت به یکدیگر تغییر دهد.

مولکول هایی مانند اسیدهای آمینه مختلف که در پروتئین های بدن یک نورون گنجانده شده اند. اگر بخش محیطی عصب را برای تعیین ماهیت حامل های رادیواکتیویته منتقل شده در اینجا تجزیه و تحلیل کنیم، چنین حامل هایی عمدتاً در بخش پروتئین و همچنین در ترکیب واسطه ها و اسیدهای آمینه آزاد یافت می شوند. با علم به اینکه خواص این مواد متفاوت است و به خصوص اندازه مولکول های آنها متفاوت است، می توان سرعت انتقال ثابت را تنها با مکانیسم انتقال مشترک در همه آنها توضیح داد.

در بالا توضیح داده شد انتقال سریع آکسوناست متخلخلیعنی به دور از بدن سلولی هدایت می شود. نشان داده شده است که برخی از مواد از محیط به بدن سلولی با کمک حمل و نقل رتروگرادبه عنوان مثال، استیل کولین استراز در این جهت با سرعتی دو برابر کمتر از سرعت انتقال سریع آکسونی منتقل می شود. یک نشانگر که اغلب در نوروآناتومی استفاده می شود - پراکسیداز ترب کوهی - نیز به صورت رتروگراد حرکت می کند. انتقال رتروگراد احتمالا نقش مهمی در تنظیم سنتز پروتئین در بدن سلولی ایفا می کند. چند روز پس از برش آکسون، کروماتولیز در بدن سلول مشاهده می شود که نشان دهنده نقض سنتز پروتئین است. زمان لازم برای کروماتولیز با مدت زمان انتقال رتروگراد از محل برش آکسون به بدنه سلولی ارتباط دارد. چنین نتیجه ای همچنین توضیحی را برای این نقض نشان می دهد - انتقال از حاشیه "ماده سیگنال" که سنتز پروتئین را تنظیم می کند مختل می شود. بدیهی است که "وسایل نقلیه" اصلی برای آکسون سریع استفاده می شود

برنج. 1.14.آزمایشی که انتقال سریع آکسون را در فیبرهای حسی عصب سیاتیک یک گربه نشان می دهد. لوسین نشاندار شده با تریتیوم به گانگلیون ریشه پشتی تزریق می شود و رادیواکتیویته در گانگلیون و فیبرهای حسی 2، 4، 6، 8 و 10 ساعت پس از تزریق اندازه گیری می شود. (پایین شکل).توسط اوکیسافاصله گانگلیون تا بخش های عصب سیاتیک که در آن اندازه گیری انجام می شود به تعویق افتاد. در محور y، فقط برای منحنی های بالا و پایین، رادیواکتیویته (Imp./min) در مقیاس لگاریتمی رسم می شود. "موج" افزایش رادیواکتیویته (فلش)با سرعت 410 میلی متر در روز (با ) حرکت می کند

حمل و نقل هستند وزیکول ها (وزیکول ها) و اندامک ها،مانند مواد حاوی میتوکندری برای انتقال. حرکت بزرگترین وزیکول ها یا میتوکندری ها را می توان با استفاده از میکروسکوپ مشاهده کرد in vivo . چنین ذرات حرکات کوتاه و سریعی در یک جهت انجام می دهند، می ایستند، اغلب کمی به عقب یا به پهلو حرکت می کنند، دوباره می ایستند و سپس در جهت اصلی خط تیره ایجاد می کنند. 410 میلی‌متر در روز مربوط به میانگین سرعت نزولی تقریباً 5 میکرومتر بر ثانیه است. بنابراین سرعت هر حرکت فردی باید بسیار بیشتر باشد و اگر اندازه اندامک‌ها، رشته‌ها و میکروتوبول‌ها را در نظر بگیریم، این حرکات واقعاً سریع هستند. انتقال سریع آکسون به غلظت قابل توجهی از ATP نیاز دارد. سمومی مانند کلشیسین تخریب کننده میکروتوبول نیز انتقال سریع آکسونی را مسدود می کنند. از این نتیجه می شود که در فرآیند انتقال مورد نظر ما، وزیکول ها و اندامک ها در امتداد میکروتوبول ها و رشته های اکتین حرکت می کنند. این حرکت توسط توده های کوچکی از مولکول های دینئین و میوزین ایجاد می شود که همانطور که در شکل نشان داده شده است. 1.13، با استفاده از انرژی ATP.

حمل و نقل سریع آکسون نیز ممکن است درگیر باشد فرآیندهای پاتولوژیکبرخی از ویروس‌های نوروتروپیک (به عنوان مثال، ویروس‌های تبخال یا فلج اطفال) به آکسون در محیط نفوذ می‌کنند و با کمک انتقال رتروگراد به بدن نورون حرکت می‌کنند، جایی که تکثیر می‌شوند و اثر سمی خود را اعمال می‌کنند. سم کزاز، پروتئینی است که توسط باکتری‌هایی تولید می‌شود که از طریق ضایعات پوستی وارد بدن می‌شود، توسط پایانه‌های عصبی جذب شده و به بدن نورون منتقل می‌شود، جایی که باعث اسپاسم عضلانی مشخص می‌شود. مواردی از اثرات سمی بر روی خود انتقال آکسون شناخته شده است، به عنوان مثال، قرار گرفتن در معرض حلال صنعتی آکریل آمید. علاوه بر این، اعتقاد بر این است که پاتوژنز بری بری بری بری و پلی نوروپاتی الکلی شامل نقض حمل و نقل سریع آکسونی است.

علاوه بر انتقال سریع آکسون در سلول، یک انتقال نسبتاً شدید نیز وجود دارد انتقال آکسون آهستهتوبولین در امتداد آکسون با سرعتی در حدود 1 میلی متر در روز حرکت می کند، در حالی که اکتین سریعتر حرکت می کند، تا 5 میلی متر در روز. سایر پروتئین ها نیز با این اجزای اسکلت سلولی مهاجرت می کنند. به عنوان مثال، به نظر می رسد آنزیم ها با اکتین یا توبولین مرتبط هستند. سرعت حرکت توبولین و اکتین تقریباً با سرعت رشد یافت شده برای مکانیسمی که قبلاً توضیح داده شد، زمانی که مولکول ها در انتهای فعال یک میکروتوبول یا میکروفیلامنت قرار می گیرند، مطابقت دارد. بنابراین، این مکانیسم ممکن است زمینه ساز انتقال آکسونی کند باشد. سرعت انتقال آهسته آکسون نیز تقریباً با سرعت رشد آکسون مطابقت دارد که ظاهراً نشان دهنده محدودیت های تحمیل شده توسط ساختار اسکلت سلولی در فرآیند دوم است.

در پایان این بخش، باید تاکید کرد که سلول ها به هیچ وجه ساختارهای ایستا نیستند، همانطور که مثلاً در عکس های میکروسکوپی الکترونی ظاهر می شوند. غشای پلاسماییو به خصوص اندامک ها در حرکت سریع و دائمی در حال بازسازی هستند.این تنها دلیلی است که آنها قادر به عملکرد هستند. علاوه بر این، اینها اتاقک های ساده ای نیستند که در آنها واکنش های شیمیایی انجام می شود، بلکه کنگلومراهای بسیار سازمان یافته از غشاها و الیاف،که در آن واکنش ها در یک توالی سازمان یافته بهینه پیش می روند.

1.4. تنظیم عملکردهای سلولی

حفظ تک تک سلول به عنوان یک واحد عملکردی تا حد زیادی توسط هسته تنظیم می شود. مطالعه چنین مکانیسم های تنظیمی موضوع زیست شناسی سلولی و بیوشیمی است. در عین حال، سلول ها باید عملکرد خود را مطابق با شرایط محیطی و نیازهای سایر سلول های بدن تغییر دهند، به عنوان مثال، آنها به عنوان اهداف تنظیم عملکردی عمل می کنند. در زیر به طور خلاصه در نظر می گیریم که چگونه این تأثیرات تنظیمی بر روی غشای پلاسمایی عمل می کنند و چگونه به اندامک های داخل سلولی می رسند.

اثرات تنظیمی بر روی غشای سلولی

پتانسیل غشایی . در بسیاری از موارد، تنظیم عملکرد سلولی با تغییر پتانسیل غشا انجام می شود. تغییرات پتانسیل محلی زمانی امکان پذیر است که: 1) جریان از ناحیه سلول همسایه یا تولید شده توسط سلول دیگر از طریق غشاء جریان یابد. 2) غلظت خارج سلولی یون ها تغییر می کند (اغلب [K + ]بیرون ) 3) کانال های یونی غشایی باز می شوند. تغییرات پتانسیل غشا می تواند بر روی ترکیب پروتئین های غشایی تأثیر بگذارد و به ویژه باعث باز یا بسته شدن کانال ها شود. همانطور که در بالا توضیح داده شد، عملکرد برخی از پمپ های غشایی به پتانسیل غشا بستگی دارد. سلول های عصبی برای درک تغییرات پتانسیل غشاء به عنوان اطلاعاتی که باید پردازش و منتقل شوند، تخصصی هستند (به فصل 2 مراجعه کنید).

مواد تنظیم کننده خارج سلولی . مهمترین مکانیسم تنظیمی مربوط به مواد خارج سلولی، تعامل آنها با گیرنده های خاص روی غشای پلاسمایی یا داخل سلول است. این مواد شامل واسطه های سیناپسی هستند که اطلاعات را بین سلول های عصبی، عوامل موضعی و موادی که در خون گردش می کنند و به تمام سلول های بدن می رسند مانند هورمون ها و آنتی ژن ها منتقل می کنند. انتقال دهنده های عصبی سیناپسیمولکول های کوچکی هستند که از انتهای عصب در سیناپس آزاد می شوند.

هنگامی که آنها به غشای پلاسمایی یک سلول پس سیناپسی همسایه می رسند، سیگنال های الکتریکی یا سایر مکانیسم های تنظیمی را تحریک می کنند. این موضوع در فصل به تفصیل مورد بحث قرار گرفته است. 3.

عوامل شیمیایی محلی اغلب توسط سلول های تخصصی ترشح می شود. آنها آزادانه در فضای خارج سلولی منتشر می شوند، اما به دلیل تخریب سریع این مواد، خود به خود یا با عمل آنزیم ها، عمل آنها به گروه کوچکی از سلول ها محدود می شود. یکی از مصادیق انتشار چنین عواملی رهاسازی است هیستامینماست سل ها در صورت آسیب یا پاسخ ایمنی. هیستامین باعث شل شدن سلول های ماهیچه صاف عروق، افزایش نفوذپذیری اندوتلیوم عروقی و تحریک انتهای عصبی حسی می شود که واسطه احساس خارش است. سایر عوامل شیمیایی محلی توسط بسیاری از سلول های دیگر ترشح می شوند. عوامل محلی معمولی هستند پروستاگلاندین هاگروهی متشکل از حدود 20 مشتقات اسیدهای چرب را تشکیل می دهد. آنها به طور مداوم از سلول های پراکنده آزاد می شوند، اما فقط به صورت موضعی عمل می کنند، زیرا به سرعت توسط فسفولیپازهای غشایی از بین می روند. پروستاگلاندین‌های مختلف طیف وسیعی از عمل دارند: آنها می‌توانند باعث انقباض سلول‌های ماهیچه صاف، تجمع پلاکت‌ها (پلاکت‌ها)، یا مهار رشد جسم زرد در تخمدان‌ها شوند.

سایر عوامل محلی خدمت می کنند عوامل رشد.شناخته شده ترین فاکتور رشد عصبی (NGF) برای نورون های سمپاتیک، که برای رشد و بقای این نورون ها در طول تکامل ضروری است. in vivo یا در کشت سلولی بدیهی است که سلول های هدف برای این دسته از نورون ها NGF ترشح می کنند و در نتیجه عصب دهی صحیح را فراهم می کنند. هنگام تشکیل اندام ها، سلول ها اغلب باید "راه خود" را برای رسیدن به سلول های هدف پیدا کنند، که می توانند در فواصل قابل توجهی قرار گیرند. بر این اساس، عوامل رشد تخصصی زیادی مانند NGF باید وجود داشته باشد.

هورمون ها و آنتی ژن ها توسط خون به تمام سلول ها منتقل می شود. آنتی ژن ها یک پاسخ ایمنی را از سلول هایی که حامل آنتی بادی های خاص هستند ایجاد می کنند. با این حال، آنتی ژن ها، به عنوان یک قاعده، مواد خارجی هستند که در ارگانیسم واکنش دهنده تشکیل نمی شوند (برای جزئیات بیشتر، به فصل 18 مراجعه کنید). برخی از هورمون ها، مانند انسولین یا تیروکسین، بر طیف گسترده ای از انواع سلول ها تأثیر می گذارند، در حالی که برخی دیگر، مانند هورمون های جنسی، تنها بر انواع خاصی از سلول ها تأثیر می گذارند. هورمون‌ها یا پپتیدهایی هستند که عملکردشان با اتصال به گیرنده‌ای روی غشای سلولی ایجاد می‌شود، یا استروئیدها و تیروکسین هستند که از طریق غشای لیپیدی منتشر شده و به گیرنده‌های داخل سلولی متصل می‌شوند. هورمون های استروئیدی به کروماتین هسته ای متصل می شوند و در نتیجه ژن های خاصی رونویسی می کنند. پروتئین های تولید شده در نتیجه باعث تغییر در عملکرد سلولی می شوند که این اثر خاص هورمون ها است. مسائل مربوط به آزادسازی و عملکرد هورمون ها به تفصیل در فصل مورد بحث قرار گرفته است. 17.

ارتباط درون سلولی شامل پیام رسان های دوم

عملکردهای تنظیمی که در بالا توضیح داده شد شامل تأثیرات روی غشای سلولی است. اطلاعات دریافت شده توسط غشای سلولی اغلب باید باعث ایجاد واکنش در اندامک ها شود و توسط مواد مختلفی که به عنوان پیام رسان دوم شناخته می شوند (بر خلاف اولی که از منابع خارجی به سلول می رسد) به آنها منتقل می شود. مطالعه میانجی های دوم به سرعت در حال توسعه است و هیچ تضمینی وجود ندارد که سطح فعلی درک مشکل به اندازه کافی کامل باشد. در اینجا ما به سه واسطه که به خوبی مطالعه شده اند، خواهیم پرداخت: Ca 2+، cAMP و اینوزیتول تری فسفات.

کلسیم.ساده ترین واسطه درون سلولی یون Ca2+ است. غلظت آزاد آن در یک سلول در حال استراحت بسیار کم است و به 10-8-10-7 مول در لیتر می رسد. این می تواند از طریق کانال های غشایی خاص هنگامی که باز هستند، به عنوان مثال، زمانی که پتانسیل غشاء تغییر می کند، وارد سلول شود (به فصل 2 مراجعه کنید). افزایش حاصل در Ca2+ واکنش‌های مهمی را در سلول ایجاد می‌کند، مانند انقباض میوفیبریل‌ها، که اساس انقباض عضلانی است (به فصل 4 مراجعه کنید)، یا آزاد شدن وزیکول‌های حاوی انتقال‌دهنده عصبی از انتهای عصبی (به فصل 3 مراجعه کنید). . . هر دو واکنش به غلظت Ca 2 + تقریباً 10-5 mol / l نیاز دارند. Ca 2+ که دارای اثر تنظیمی است، می تواند از انبارهای داخل سلولی مانند شبکه آندوپلاسمی نیز آزاد شود. رهاسازی Ca 2+ از انبار مستلزم مشارکت سایر واسطه ها است (برای مثال به شکل 1.16 مراجعه کنید).

آدنوزین مونوفسفات حلقوی، cAMP. اخیراً ثابت شده است که آدنوزین مونوفسفات حلقوی (cAMP)، مشتق شده از منبع اصلی انرژی در بدن، ATP، یک پیام رسان مهم دوم است. زنجیره پیچیده واکنش نشان داده شده در شکل. 1.15، از گیرنده شروع می شودروپیه در سطح بیرونی غشای پلاسمایی، که می تواند به عنوان یک محل اتصال خاص برای واسطه ها و هورمون های مختلف عمل کند. پس از اتصال به یک مولکول "محرک" خاصروپیه ساختار آن را تغییر می دهد. این تغییرات بر پروتئین تأثیر می گذارد Gs در سطح داخلی غشاء به گونه ای که امکان فعال سازی دومی توسط گوانوزین تری فسفات داخل سلولی (GTP) وجود دارد. پروتئین فعال Gs به نوبه خود، آنزیمی را در سطح داخلی غشاء تحریک می کند، آدنیلات سیکلاز (AC) که تشکیل cAMP از ATP را کاتالیز می کند. cAMP محلول در آب و واسطه ای است که اثر را منتقل می کند

برنج. 1.15.زنجیره ای از واکنش ها شامل cAMP واسطه درون سلولی (آدنوزین مونوفسفات حلقوی). سیگنال های خارجی تحریکی یا مهاری گیرنده های غشایی R را فعال می کننداس یا ری . این گیرنده ها فرآیند اتصال را تنظیم می کنندجی -پروتئین هایی با GTP درون سلولی (گوانوزین تری فسفات) که در نتیجه باعث تحریک یا مهار آدنیلات سیکلاز داخل سلولی (AC) می شود. آنزیم تقویت کننده AC آدنوزین تری فسفات (ATP) را به cAMP تبدیل می کند که سپس با کمک فسفودی استر به AMP تبدیل می شود. cAMP آزاد به داخل سلول منتشر می شود و آدنیلات کیناز (A-kinase) را فعال می کند و زیرواحد کاتالیزوری C خود را آزاد می کند که فسفوریلاسیون پروتئین های داخل سلولی را کاتالیز می کند. اثر نهایی محرک خارج سلولی را تشکیل می دهد. این طرح همچنین داروهای دارویی و سمومی را نشان می‌دهد که برخی از واکنش‌ها را تحریک می‌کنند (+) یا (-) را مهار می‌کنند (اما با تغییرات)

تحریک گیرنده خارج سلولیروپیه به ساختارهای داخلی سلول

به موازات زنجیره تحریکی از واکنش های شاملروپیه اتصال احتمالی واسطه ها و هورمون های بازدارنده به گیرنده مربوطه R i که دوباره از طریق پروتئین فعال شده با GTPجی ، تولید AC و در نتیجه cAMP را مهار می کند. با انتشار به داخل سلول، cAMP با آدنیلات کیناز (A-kinase) واکنش می دهد. این زیر واحد C را آزاد می کند که فسفوریلاسیون پروتئین را کاتالیز می کند.این فسفوریلاسیون پروتئین ها را به شکل فعال خود تبدیل می کند و اکنون آنها می توانند عملکرد تنظیمی خاص خود را اعمال کنند (مثلاً باعث تخریب گلیکوژن شوند). این سیستم پیچیده تنظیمی بسیار کارآمد است، زیرا نتیجه نهایی فسفوریلاسیون بسیاری از پروتئین ها است، یعنی سیگنال تنظیمی با یک ضریب تقویت بزرگ از مدار عبور می کند. واسطه های خارجی که به گیرنده ها متصل می شوند R s و R i خاص هر یک از آنها بسیار متنوع است. آدرنالین، مزاحم R s یا R i در تنظیم متابولیسم لیپید و گلیکوژن و همچنین در افزایش انقباض عضله قلب و سایر واکنش ها شرکت می کند (به فصل 19 مراجعه کنید). هورمون محرک تیروئید، فعال کردن روپیه ، ترشح هورمون تیروکسین توسط غده تیروئید را تحریک می کند و پروستاگلاندین I از تجمع پلاکت ها جلوگیری می کند. اثرات مهاری، از جمله آدرنالین، با واسطه R i در کاهش سرعت لیپولیز بیان می شود. به این ترتیب، سیستم cAMP یک سیستم تنظیمی درون سلولی چند منظوره است،که می تواند به طور دقیق توسط عوامل تحریک کننده و بازدارنده سیگنال خارج سلولی کنترل شود.

اینوزیتول فسفات "IF ساعت ". سیستم درون سلولی واسطه دوم، اینوزیتول فسفات، به تازگی کشف شده است (شکل 1.16). در این مورد، هیچ مسیر مهاری وجود ندارد، اما شباهتی با سیستم cAMP وجود دارد که در آن اثر تحریک گیرنده R به پروتئین G فعال شده با GTP در سطح داخلی غشاء منتقل می شود. در مرحله بعد، فسفاتیدیل لینوزیتول لیپیدی معمولی غشایی (PI)، که قبلاً دو گروه فسفات اضافی دریافت کرده بود، به PI-دی فسفات (FIF 2) تبدیل می شود که توسط فسفودی استراز فعال شده (PDE) به اینوزیتول تری فسفات(IFz) و لیپید دی اسیل گلیسرول(DAG). اینوزیتول تری فسفات یک پیام رسان دوم محلول در آب است که در سیتوزول منتشر می شود. در درجه اول با آزاد کردن Ca 2 + از شبکه آندوپلاسمی عمل می کند. Ca 2+ به نوبه خود به عنوان یک واسطه همانطور که در بالا توضیح داده شد عمل می کند. برای مثال، فسفوکیناز وابسته به Ca2+ را فعال می کند که آنزیم ها را فسفریله می کند. زیرواحد لیپیدی DAG (شکل 1.16) نیز سیگنال را با انتشار در فاز لیپیدی غشای پلاسمایی به C-kinase واقع در سطح داخلی آن، که با مشارکت فسفاتیدیل سرین به عنوان کوفاکتور فعال می شود، منتقل می کند. سپس C-kinase باعث فسفوریلاسیون پروتئین ها می شود و آنها را به شکل فعال تبدیل می کند.

سیستم درون سلولی دومین واسطه اینترفرون 3 نیز می تواند توسط انواع واسطه ها و هورمون های خارجی از جمله استیل کولین، سروتونین، وازوپرسین و هورمون محرک تیروئید کنترل شود. مانند سیستم cAMP، با انواع اثرات درون سلولی مشخص می شود. این امکان وجود دارد که این سیستم نیز توسط نور در گیرنده بینایی چشم فعال شود و نقش مرکزی را در انتقال نور ایفا کند (به فصل 11 مراجعه کنید). برای اولین بار در رشد فردی یک ارگانیسم، گیرنده سیستم IGF توسط اسپرم فعال می شود، در نتیجه IGF در واکنش های تنظیمی که با لقاح تخمک همراه است، شرکت می کند.

سیستم های cAMP و IFz-DAG بسیار موثر هستند تقویت کننده های بیولوژیکیآن ها هستند

برنج. 1.16.زنجیره ای از واکنش ها شامل اینترفرون واسطه درون سلولی (اینوزیتول تری فسفات). همانطور که در سیستم cAMP، سیگنال خارج سلولی از طریق یک پروتئین واسطه می شودجی, که در این حالت فسفودی استراز (PDE) را فعال می کند. این آنزیم فسفاتیدیلینوزین دی فسفات (FIF) را تجزیه می کند. 2 ) در غشای پلاسمایی قبل از IFساعت و دی اسیل گلیسرول (DAG)؛ اگرساعت در سیتوپلاسم منتشر می شود. در اینجا او باعث انتشار Ca می شود 2+ از شبکه آندوپلاسمی؛ افزایش غلظت کلسیم 2+ در سیتوپلاسم ([Ca 2+ ] i ) یک پروتئین کیناز را فعال می کند که فسفریله می شود و در نتیجه آنزیم ها را فعال می کند. محصول دیگر، DAG، در غشاء باقی می ماند و پروتئین کیناز C (کوفاکتور فسفاتیدیل سرین، PS) را فعال می کند. پروتئین کیناز C همچنین آنزیم هایی را فسفریله می کند که واسطه اعمال خاص مرتبط با تحریک گیرنده خارجی هستند.آر . شاخه های زنجیره واکنش های شامل IFساعت و DAG به ترتیب توسط یونومایسین و فوربول استر می توانند به طور مستقل فعال شوند (اصلاح شده)

واکنش بین واسطه و گیرنده غشای خارجی را به فسفوریلاسیون بسیاری از پروتئین‌های داخل سلولی تبدیل می‌کند که می‌تواند بر عملکردهای مختلف سلول تأثیر بگذارد. یکی از جنبه های مهم مشکل این است که تا آنجا که امروز می دانیم، تنها این دو سیستم تنظیمی نزدیک به هم از این نوع وجود دارد که توسط واسطه های خارجی متعدد برای تنظیم فرآیندهای مختلف درون سلولی استفاده می شود. در عین حال، این سیستم های تنظیمی، از جمله Ca 2+، از نزدیک با یکدیگر تعامل دارند، که به آنها اجازه می دهد تا تنظیم دقیق عملکردهای سلولی را انجام دهند.

1.5. ادبیات

آموزش ها و راهنماها

1. آلبرتز AT.، بری دی.، لوئیس جی.، راف ام.، رابرتز به.، واتسون جی.دی.زیست شناسی مولکولی سلول، نیویورک و لندن، شرکت انتشارات گارلند، 1983.

2. سیهاک جی.، لونگر اچ.، زیگلر اچ.(ویرایش‌ها). زیست شناسی. برلین، هایدلبرگ، نیویورک، اسپرینگر، 1983.

3. تپه AT. کانال های یونی غشاهای تحریک پذیر. ساندرلند، ماساچوست، Sinauer Assoc.، 1984.

4. هوپ دبلیو.، لومان دبلیو.. مارکی اچ.، زیگلر اچ.(ویرایش‌ها). بیوفیزیک. برلین، هایدلبرگ، نیویورک، اسپرینگر، 1984.

5. یونگرمن به.، مالر اچ.بیوشیمی. برلین، هایدلبرگ، نیویورک، اسپرینگر، 1980.

6. Kandel E.R., Schwartz-J.H.,(ویرایش‌ها). اصول علوم عصبی، نیویورک، آمستردام، آکسفورد، الزویر، 1985.

7. شیبلر تی. اچ، اشمیت دبلیو.Anatomical des Menschen. برلین، هایدلبرگ، نیویورک، توکیو، اسپرینگر، 1983.

مقالات و نقدهای اصلی

8. بریج ام.جی.اساس مولکولی ارتباط درون سلولی، علم. Amer 253 124 134 (1985).

9. بریج ام.جی.، اروین آر.اف.اینوزیتول تری فسفات، دومین پیام رسان جدید در انتقال سیگنال سلولی. Nature, 312, 315 321 (1984).

10. برتسچر ام اس.مولکول های غشای سلولی، علم. Amer., 253, 124-134 (1985).

11. داوت ج.سلول زنده به عنوان یک ماشین انتقال انرژی یک مدل حداقلی از متابولیسم میوکارد، Biochem. et Biophys. Acta, 895, 41-62 (1987).

12. هوچکین ال.ال.، کاتز AT. تاثیر یون های سدیم بر فعالیت الکتریکی آکسون غول پیکر ماهی مرکب. جی فیزیول. (Land.), 108, 37-77 (1949).

13. Hodgkin A.L., Keynes R.D.انتقال فعال کاتیون ها در آکسون های غول پیکر از سپیاو لولیگو،جی فیزیول. (Land.), 128, 28-42 (1955).

14. طولانی تر P.کانال‌های یونی با زیرشاخه‌های ساختاری، Biophys. J., 47, 581-590 (1985).

15. Ochs S., Worth P.M.انتقال اگزوپلاسمی در سیستم های نرمال و پاتولوژیک در: فیزیولوژی و آسیب شناسی آکسون ها، S.G. مرد مومی،اد. نیویورک، انتشارات ریون، 1978.

از شما دعوت می کنیم تا با مواد و.

وجود پلاستیدها ویژگی اصلی سلول گیاهی است.

غشای پلاسمایی- یک لایه نازک، متشکل از مولکول های لیپید و پروتئین در حال تعامل است، محتویات داخلی را از محیط خارجی محدود می کند، انتقال آب، مواد معدنی و آلی را به داخل سلول با اسمز و انتقال فعال فراهم می کند و همچنین مواد زائد را حذف می کند.

سیتوپلاسم- محیط نیمه مایع داخلی سلول، که در آن هسته و اندامک ها قرار دارند، اتصالات بین آنها را فراهم می کند، در فرآیندهای اصلی زندگی شرکت می کند.

شبکه آندوپلاسمی- شبکه ای از کانال های انشعاب در سیتوپلاسم. در سنتز پروتئین ها، لیپیدها و کربوهیدرات ها، در حمل و نقل مواد نقش دارد. ریبوزوم ها - اجسامی که در EPS یا در سیتوپلاسم قرار دارند، از RNA و پروتئین تشکیل شده اند و در سنتز پروتئین نقش دارند. EPS و ریبوزوم ها یک دستگاه واحد برای سنتز و انتقال پروتئین ها هستند.

میتوکندریاندامک هایی که توسط دو غشا از سیتوپلاسم جدا می شوند. مواد آلی در آنها اکسید می شوند و مولکول های ATP با مشارکت آنزیم ها سنتز می شوند. افزایش سطح غشای داخلی که آنزیم ها بر روی آن قرار دارند به دلیل کریستا. ATP یک ماده آلی غنی از انرژی است.

پلاستیدها(کلروپلاست، لکوپلاست، کروموپلاست)، محتوای آنها در سلول ویژگی اصلی موجودات گیاهی است. کلروپلاست ها پلاستیدهای حاوی رنگدانه سبز کلروفیل هستند که انرژی نور را جذب می کند و از آن برای سنتز مواد آلی از دی اکسید کربن و آب استفاده می کند. تحدید کلروپلاست ها از سیتوپلاسم توسط دو غشاء، برآمدگی های متعدد - گرانا روی غشای داخلی، که در آن مولکول ها و آنزیم های کلروفیل قرار دارند.

مجموعه گلژی- سیستمی از حفره ها که با یک غشاء از سیتوپلاسم جدا شده اند. تجمع پروتئین ها، چربی ها و کربوهیدرات ها در آنها. اجرای سنتز چربی ها و کربوهیدرات ها بر روی غشاها.

لیزوزوم ها- اجسامی که توسط یک غشاء از سیتوپلاسم جدا می شوند. آنزیم های موجود در آنها واکنش تقسیم مولکول های پیچیده به مولکول های ساده را تسریع می کنند: پروتئین ها به اسیدهای آمینه، کربوهیدرات های پیچیده به ساده، لیپیدها به گلیسرول و اسیدهای چرب، و همچنین قسمت های مرده سلول، سلول های کامل را از بین می برند.

واکوئل ها- حفره های سیتوپلاسم پر از شیره سلولی، محل تجمع مواد مغذی ذخیره، مواد مضر. آنها محتوای آب را در سلول تنظیم می کنند.

هسته- قسمت اصلی سلول، از بیرون با یک غشای دوگانه پوشیده شده است، که توسط منافذ پوسته هسته ای سوراخ شده است. مواد وارد هسته می شوند و از طریق منافذ از آن خارج می شوند. کروموزوم ها حامل اطلاعات ارثی در مورد ویژگی های یک موجود زنده هستند، ساختارهای اصلی هسته، که هر کدام از یک مولکول DNA در ترکیب با پروتئین ها تشکیل شده است. هسته محل سنتز DNA، i-RNA، r-RNA است.

غشای خارجی یا پلاسمایی- محتویات سلول را از محیط (سایر سلول ها، ماده بین سلولی) جدا می کند، متشکل از مولکول های لیپید و پروتئین است، ارتباط بین سلول ها، انتقال مواد به داخل سلول (پینوسیتوز، فاگوسیتوز) و خارج از سلول را فراهم می کند.

سیتوپلاسم- محیط نیمه مایع داخلی سلول که ارتباط بین هسته و اندامک های واقع در آن را فراهم می کند. فرآیندهای اصلی فعالیت حیاتی در سیتوپلاسم انجام می شود.

اندامک های سلولی:

1) شبکه آندوپلاسمی (ER)- سیستمی از لوله های انشعاب که در سنتز پروتئین ها، لیپیدها و کربوهیدرات ها، در حمل و نقل مواد در سلول نقش دارند.

2) ریبوزوم ها- اجسام حاوی rRNA در ER و در سیتوپلاسم قرار دارند و در سنتز پروتئین نقش دارند. EPS و ریبوزوم یک دستگاه واحد برای سنتز و انتقال پروتئین هستند.

3) میتوکندری- "ایستگاه های برق" سلول که توسط دو غشاء از سیتوپلاسم جدا شده است. قسمت داخلی کریستا (چین‌هایی) را تشکیل می‌دهد که سطح آن را افزایش می‌دهد. آنزیم های روی کریستا واکنش های اکسیداسیون مواد آلی و سنتز مولکول های غنی از انرژی ATP را تسریع می کنند.

4) مجموعه گلژی- گروهی از حفره ها که توسط غشایی از سیتوپلاسم مشخص شده اند، پر از پروتئین ها، چربی ها و کربوهیدرات ها هستند که یا در فرآیندهای زندگی استفاده می شوند یا از سلول حذف می شوند. غشاهای مجتمع سنتز چربی ها و کربوهیدرات ها را انجام می دهند.

5) لیزوزوم ها- اجسام پر از آنزیم ها واکنش های تقسیم پروتئین ها به اسیدهای آمینه، لیپیدها به گلیسرول و اسیدهای چرب، پلی ساکاریدها به مونوساکاریدها را تسریع می کنند. در لیزوزوم ها، قسمت های مرده سلول، سلول های کامل و سلول ها از بین می روند.

آخال های سلولی- تجمع مواد مغذی اضافی: پروتئین ها، چربی ها و کربوهیدرات ها.

هسته- مهمترین قسمت سلول. با یک غشای دو غشایی با منافذ پوشیده شده است که از طریق آن برخی از مواد به هسته نفوذ می کنند، در حالی که برخی دیگر وارد سیتوپلاسم می شوند. کروموزوم ها ساختارهای اصلی هسته، حامل اطلاعات ارثی در مورد ویژگی های یک موجود زنده هستند. در فرآیند تقسیم سلول مادر به سلول های دختر و با سلول های زایا - به ارگانیسم های دختر منتقل می شود. هسته محل سنتز DNA، mRNA، rRNA است.

ورزش:

توضیح دهید چرا اندامک ها را ساختارهای تخصصی سلول می نامند؟

پاسخ:اندامک ها ساختارهای سلولی تخصصی نامیده می شوند، زیرا آنها عملکردهای کاملاً تعریف شده را انجام می دهند، اطلاعات ارثی در هسته ذخیره می شود، ATP در میتوکندری سنتز می شود، فتوسنتز در کلروپلاست ها و غیره انجام می شود.

اگر در مورد سیتولوژی سوالی دارید، می توانید از آن کمک بخواهید

مرحله سوم تکامل، ظهور سلول است.
مولکول های پروتئین ها و اسیدهای نوکلئیک (DNA و RNA) یک سلول بیولوژیکی، کوچکترین واحد حیات را تشکیل می دهند. سلول های بیولوژیکی "بلوک های سازنده" همه موجودات زنده هستند و شامل همه کدهای مادی رشد هستند.
برای مدت طولانی، دانشمندان ساختار سلول را بسیار ساده می دانستند. فرهنگ لغت دایره المعارف اتحاد جماهیر شوروی مفهوم سلول را اینگونه تفسیر می کند: "سلول یک سیستم زنده ابتدایی است که اساس ساختار و زندگی همه حیوانات و گیاهان است." لازم به ذکر است که واژه ابتدایی به هیچ وجه به معنای ساده ترین نیست بلکه سلول مخلوق فراکتالی منحصر به فرد خداوند است که در پیچیدگی و در عین حال انسجام استثنایی آن چشمگیر است. کار تمام عناصر آن
وقتی توانستیم با کمک میکروسکوپ الکترونی به داخل نگاه کنیم، معلوم شد که دستگاه ساده ترین سلول به اندازه خود جهان پیچیده و غیرقابل درک است. امروز قبلاً ثابت شده است که "یک سلول یک ماده خاص جهان است، یک ماده خاص کیهان." یک سلول منفرد حاوی اطلاعاتی است که تنها در چند ده هزار جلد از دایره المعارف بزرگ شوروی قابل گنجاندن است. آن ها سلول، در میان چیزهای دیگر، یک "مخزن زیستی" عظیم از اطلاعات است.
نویسنده نظریه مدرن تکامل مولکولی، مانفرد ایگن، می نویسد: «برای اینکه یک مولکول پروتئین به طور تصادفی تشکیل شود، طبیعت باید حدود 10130 آزمایش انجام دهد و برای آن تعداد مولکول هایی را صرف کند که برای 1027 کافی است. اگر پروتئین به صورت هوشمند ساخته شده باشد، یعنی اعتبار هر حرکت را بتوان با مکانیزم انتخابی بررسی کرد، تنها حدود 2000 تلاش لازم است. ما به یک نتیجه متناقض می رسیم: برنامه ساخت یک "سلول زنده اولیه" جایی در سطح ذرات بنیادی رمزگذاری شده است.
و چگونه می تواند غیر از این باشد. هر سلولی که DNA دارد، دارای آگاهی است، از خود و سایر سلول‌ها آگاه است و با کیهان در تماس است و در واقع بخشی از آن است. و اگرچه تعداد و تنوع سلول‌ها در بدن انسان شگفت‌انگیز است (حدود 70 تریلیون)، اما همه آنها شبیه به خود هستند، همانطور که همه فرآیندهایی که در سلول‌ها اتفاق می‌افتند خود مشابه هستند. به گفته دانشمند آلمانی رولاند گلاسر، طراحی سلول های بیولوژیکی "بسیار خوب اندیشیده شده" است. چه کسی خوب فکر کرده است؟
پاسخ ساده است: پروتئین ها، اسیدهای نوکلئیک، سلول های زنده و همه سیستم های زیستی محصول فعالیت خلاق خالق فکری هستند.

جالب است: در سطح اتمی، هیچ تفاوتی بین ترکیب شیمیایی جهان آلی و معدنی وجود ندارد. به عبارت دیگر، در سطح یک اتم، یک سلول از همان عناصر طبیعت بی جان ایجاد می شود. تفاوت ها در سطح مولکولی یافت می شود. در بدن‌های زنده، همراه با مواد معدنی و آب، پروتئین‌ها، کربوهیدرات‌ها، چربی‌ها، اسیدهای نوکلئیک، آنزیم سنتاز ATP و سایر ترکیبات آلی با وزن مولکولی کم نیز وجود دارد.
تا به امروز، این سلول به معنای واقعی کلمه به منظور مطالعه به اتم تجزیه شده است. با این حال، ایجاد حداقل یک سلول زنده ممکن نیست، زیرا ایجاد یک سلول به معنای ایجاد ذره ای از جهان زنده است. آکادمیسین V.P. کازناچیف معتقد است که "سلول یک موجود کیهانی-سیاره ای است... سلول های انسانی سیستم های خاصی از برخورد دهنده های زیستی با پیچش اتری هستند. در این برخورددهنده های زیستی، فرآیندهای ناشناخته برای ما رخ می دهد، مادی شدن اشکال کیهانی جریان ها اتفاق می افتد، تبدیل کیهانی آنها صورت می گیرد. و به همین دلیل ذرات مادی می شوند.»
اب.
تقریبا 80 درصد از توده سلولی آب است. به گفته دکتر زیست شناسی S. Zenin، آب به دلیل ساختار خوشه ای خود، یک ماتریس اطلاعاتی برای مدیریت فرآیندهای بیوشیمیایی است. علاوه بر این، این آب است که "هدف" اولیه ای است که نوسانات فرکانس صدا با آن تعامل دارند. نظم آب سلولی آنقدر زیاد است (نزدیک به نظم یک بلور) که به آن کریستال مایع می گویند.
سنجاب ها
پروتئین ها نقش مهمی در زندگی بیولوژیکی دارند. سلول حاوی چندین هزار پروتئین است که منحصر به این نوع سلول (به استثنای سلول های بنیادی) است. توانایی سنتز پروتئین های خود از سلولی به سلول دیگر به ارث می رسد و در طول زندگی ادامه می یابد. در طول عمر سلول، پروتئین ها به تدریج ساختار خود را تغییر می دهند، عملکرد آنها مختل می شود. این پروتئین‌های مصرف‌شده از سلول خارج می‌شوند و با پروتئین‌های جدید جایگزین می‌شوند که به لطف آن فعالیت حیاتی سلول حفظ می‌شود.
اول از همه، ما به عملکرد ساختمانی پروتئین ها اشاره می کنیم، زیرا آنها مواد ساختمانی هستند که غشای سلول ها و اندامک های سلولی، دیواره رگ های خونی، تاندون ها، غضروف ها و غیره را می سازند.
عملکرد سیگنال دهی پروتئین ها بسیار جالب است. به نظر می رسد که پروتئین ها می توانند به عنوان مواد سیگنال دهنده عمل کنند و سیگنال ها را بین بافت ها، سلول ها یا ارگانیسم ها منتقل کنند. عملکرد سیگنال توسط پروتئین های هورمونی انجام می شود. سلول ها می توانند با استفاده از پروتئین های سیگنالی که از طریق ماده بین سلولی منتقل می شوند، از فاصله دور با یکدیگر ارتباط برقرار کنند.
پروتئین ها عملکرد حرکتی نیز دارند. تمام انواع حرکاتی که سلول ها قادر به انجام آن هستند، مانند انقباض عضلانی، توسط پروتئین های انقباضی خاص انجام می شود. پروتئین ها همچنین عملکرد حمل و نقل را انجام می دهند. آنها قادر به اتصال مواد مختلف و انتقال آنها از یک مکان در سلول به مکان دیگر هستند. به عنوان مثال، هموگلوبین پروتئین خون، اکسیژن را به تمام بافت ها و اندام های بدن می رساند. علاوه بر این، پروتئین ها عملکرد محافظتی نیز دارند. هنگامی که پروتئین ها یا سلول های خارجی به بدن وارد می شوند، پروتئین های خاصی در آن تولید می شود که سلول ها و مواد خارجی را متصل و خنثی می کند. و در نهایت عملکرد انرژی پروتئین ها به این صورت است که با تجزیه کامل 1 گرم پروتئین، انرژی به میزان 17.6 کیلوژول آزاد می شود.

ساختار سلول.
سلول از سه بخش به هم پیوسته تشکیل شده است: غشاء، سیتوپلاسم و هسته، و ساختار و عملکرد هسته در دوره های مختلف زندگی سلول متفاوت است. برای زندگی یک سلول شامل دو دوره است: تقسیم که در نتیجه آن دو سلول دختر تشکیل می شود و دوره بین تقسیمات که به آن اینترفاز می گویند.
غشای سلولی به طور مستقیم با محیط خارجی و با سلول های همسایه تعامل دارد. این شامل یک لایه بیرونی و یک غشای پلاسمایی است که در زیر آن قرار دارد. لایه سطحی سلول های حیوانی گلیکوکالیس نامیده می شود. سلول ها را با محیط خارجی و با تمام مواد اطراف آن متصل می کند. ضخامت آن کمتر از 1 میکرون است.

ساختار سلول
غشای سلولی بخش بسیار مهمی از سلول است. تمام اجزای سلولی را کنار هم نگه می دارد و محیط بیرونی و داخلی را محدود می کند.
تبادل مداوم مواد بین سلول ها و محیط خارجی وجود دارد. آب، املاح مختلف به شکل یون های منفرد، مولکول های معدنی و آلی از محیط خارجی وارد سلول می شوند. محصولات متابولیسم و ​​همچنین مواد سنتز شده در سلول: پروتئین ها، کربوهیدرات ها، هورمون ها که در سلول های غدد مختلف تولید می شوند، از طریق غشاء از سلول به محیط خارجی دفع می شوند. انتقال مواد یکی از وظایف اصلی غشای پلاسمایی است.
سیتوپلاسم- یک محیط نیمه مایع داخلی که فرآیندهای متابولیکی اصلی در آن انجام می شود. مطالعات اخیر نشان داده است که سیتوپلاسم نوعی محلول نیست که اجزای آن در برخوردهای تصادفی با یکدیگر تعامل داشته باشند. می توان آن را با ژله مقایسه کرد که در پاسخ به تأثیرات خارجی شروع به "لرزیدن" می کند. به این ترتیب سیتوپلاسم اطلاعات را درک و انتقال می دهد.
هسته و اندامک های مختلف در سیتوپلاسم قرار دارند که توسط آن به یک کل متحد می شوند که تعامل آنها و فعالیت سلول را به عنوان یک سیستم یکپارچه تضمین می کند. هسته در قسمت مرکزی سیتوپلاسم قرار دارد. کل منطقه داخلی سیتوپلاسم با شبکه آندوپلاسمی پر شده است که یک ارگانوئید سلولی است: سیستمی از لوله ها، وزیکول ها و "آب انبارها" که توسط غشاها محدود شده اند. شبکه آندوپلاسمی در فرآیندهای متابولیکی درگیر است و انتقال مواد از محیط به سیتوپلاسم و بین ساختارهای درون سلولی فردی را فراهم می کند، اما عملکرد اصلی آن مشارکت در سنتز پروتئین است که در ریبوزوم ها انجام می شود. - اجسام کوچک میکروسکوپی گرد شکل با قطر 15-20 نانومتر. پروتئین های سنتز شده ابتدا در کانال ها و حفره های شبکه آندوپلاسمی انباشته می شوند و سپس به اندامک ها و مکان های سلولی که در آنجا مصرف می شوند منتقل می شوند.
علاوه بر پروتئین، سیتوپلاسم حاوی میتوکندری، اجسام کوچک 0.2-7 میکرون است که به آنها "ایستگاه برق" سلول ها می گویند. واکنش‌های ردوکس در میتوکندری اتفاق می‌افتد و به سلول‌ها انرژی می‌دهد. تعداد میتوکندری ها در یک سلول از چند تا چند هزار متغیر است.
هسته- بخش حیاتی سلول، سنتز پروتئین ها و از طریق آنها کلیه فرآیندهای فیزیولوژیکی سلول را کنترل می کند. در هسته یک سلول غیرقابل تقسیم، غشای هسته، شیره هسته، هسته و کروموزوم ها متمایز می شوند. از طریق پوشش هسته، تبادل مداوم مواد بین هسته و سیتوپلاسم وجود دارد. زیر پوشش هسته ای - آب هسته ای (ماده نیمه مایع) که حاوی هسته و کروموزوم است. هسته یک جسم گرد متراکم است که ابعاد آن می تواند بسیار متفاوت باشد، از 1 تا 10 میکرون و بیشتر. این عمدتا از ریبونوکلئوپروتئین تشکیل شده است. در تشکیل ریبوزوم ها شرکت می کند. معمولاً 1-3 هسته در یک سلول وجود دارد که گاهی تا چند صد می رسد. هسته از RNA و پروتئین تشکیل شده است.
با ظهور سلول، زندگی بر روی زمین به وجود آمد!

ادامه دارد...