III. Учебная информация для использования на занятии.

Клетка впервые была открыта английским физиологом Робертом Гуком в 1665 году. Он при помощи сконструированного им примитивного микроскопа увидел в тонком срезе пробкового дерева ячейки - это и были клетки. Существенный вклад в клеточную теорию внесли Ян Пуркинье, Броун, Теодор Шванн, Рудольф Вирхов. Так в 1830 г. Пуркинье обнаружил в клетке цитоплазму. В 1833 г. Броун увидел в клетке ядро, в 1838 г. Шванн пришел к заключению, что клетки различных организмов имеют сходное строение, а в 1858 г. Вирхов установил, что новые клетки образуются в результате деления материнской. В 1939 г. Шлейден и Шванн независимо один от другого сформулировали клеточную теорию.

Основные положения клеточной теории:

1. Клетка - наименьшая единица живого.

а) Имеется в виду, что отдельные компоненты клетки (ядро, митохондрии и т.д.) не могут полноценно существовать в изолированном состоянии: в них быстро развиваются процессы аутолиза и дегенерации.

б) В отличие от этого, многие клетки удаётся длительно культивировать в подходящей питательной среде с сохранением их жизнедеятельности.

2. Клетки сходны по общему плану строения.

Действительно, практически все клетки имеют 3 основных компонента:

плазматическую мембрану - отделяет содержимое клетки от внеклеточной среды, ядро - содержит наследственный материал (ДНК), связанный с ядерными белками, цитоплазму - это внеядерная часть клетки, включающая гомогенную гиалоплазму и многочисленные цитоплазматические структуры.

3. Клетки размножаются только путём деления ("каждая клетка - из клетки").

а) Не все клетки способны к делению: многие клетки, выполняющие сложные функции, в процессе своего созревания утратили эту способность.

б) Но появление новых клеток происходит только путём деления таких клеток, которые способны делиться. Этим утверждением исключается возможность образования клеток из неклеточного материала.

4. В организме клетки функционируют не изолированно, а в тесной связи друг с другом, образуя единое целое (ткани, органы, системы органов).

а) Поэтому клетки весьма различны: одни настроены на выполнение одного круга функций, другие - другого.

б) Отсюда - различия структуры клеток и образуемого ими межклеточного вещества. Т.е., имея общий план строения (плазматическая мембрана, ядро, цитоплазма), клетки разных видов в большей или меньшей степени отличаются друг от друга.

Таким образом, клетка - это самовоспроизводящаяся элементарная живая система, ограниченная плазмолеммой, содержащая ядро и цитоплазму.

В организме человека насчитывается 10¹³ клеток. Они отличаются между собой размерами формой. Самые крупные клетки - нервные (их размеры достигают 120 мкм находятся они в ганглионарном слое коры ГМ и называются клетками Беца по имени автора их описавшего, также к крупным клеткам относят адипоциты или жировые клетки (их размеры 100-120 мкм). Самая мелкая клетка - это лимфоцит его размер 4,5 мкм. Клетки отличаются также разнообразием форм. Округлой формы - н-р форменные элементы крови, отросчатой формы - нервные клетки, кубической формы - клетки канальцев почек, веретеновидной (гладкие миоциты), бокаловидной формы (клетки вырабатывающие слизь, их еще называют одноклеточными железами).

В ряде случаев утрачивается классическое клеточное строение и образуются неклеточные структуры:

1) постклеточные структуры (эритроциты, роговые чешуйки). Они развиваются из ядросодержащих клеток, которые на определенном этапе теряют ядро. 2)симпласты (волокна скелетных мышц, наружный слой трофобласта плаценты) - крупные образования, содержащие множество ядер. Они появляются либо путём слияния исходных клеток (мышечные волокна), либо в результате деления одних ядер без разделения цитоплазмы.

3)синцитий (сперматогенные клетки - предшественники сперматозоидов). После деления клетки между дочерними клетками остаются цитоплазматические мостики.

Также к неклеточным структурам относят межклеточное вещество, оно является продуктом секреции самих клеток. Так, в соединительной ткани межклеточное вещество состоит из волокон и аморфного вещества Цитоплазма клетки содержит следующие компоненты:.

1. Гиалоплазма (цитозоль) - в жидком состоянии золь, в твердом состоянии гель. В ее состав входят раствор минеральных солей, углеводы, белки, аминокислоты, ферменты. Соли натрия образуют в гиалоплазме изотонический раствор (0,9%). Поэтому если клетку поместить в дистил. воду, то она будет набухать, если же ее поместить в гипертонический раствор натрия или в концентрированный раствор глюкозы, то она будет сморщиваться.

2. Органеллы - Органеллами называют такие микроструктуры цитоплазмы, которые присутствуют практически во всех клетках и выполняют жизненно важные функции. Их делят на два типа. Мембранные органеллы - отграничены собственной мембраной от окружающей гиалоплазмы. Это - ЭПС, к Гольджи, лизосомы, пероксисомы, митохондрии. Немембранные органеллы - структуры, не окружённые мембраной. К ним относят рибосомы, клеточный центр, микротрубочки, микрофиламенты, реснички, жгутики, микроворсинки. Также, органеллы подразделяются на органеллы общего значения и специальные органеллы. Органеллы общего значения имеются во всех клетках и необходимы для обеспечения их жизнедеятельности. К ним относятся митохондрии, рибосомы, ЭПС, комплекс Гольджи, лизосомы, пероксисомы, клеточный центр, компоненты цитоскелета. Специальные органеллы имеются лишь в некоторых клетках и обеспечивают выполнение их специализированных функций. К ним относят реснички, жгутики, миофибриллы, акросому (спермиев). Специальные органеллы образуются в ходе развития клетки, как производные органелл общего значения.

3. Включения - необязательные компоненты цитоплазмы; они возникают и исчезают в зависимости от состояния клетки.

Сама клетка и мембранные органеллы окружены мембраной, различают плазмолемму или внешнюю клеточную мембрану и внутриклеточные мембраны. Плазмолемма занимает в клетке пограничное положение и играет роль полупроницаемого селективного барьера, который с одной стороны отделяет цитоплазму от внеклеточной среды, а с другой стороны обеспечивает ее связь с этой средой. Она включает 60% белков и 40 % липидов. Липиды входящие в состав плазмолеммы - это холестерин, сфингомиелины, фосфолипиды. Молекулы липидов образуют 2 слоя: 1) гидрофильные головки липидов имеют заряд и обращены к поверхностям мембраны 2) гидрофобные хвосты не имеют заряда и обращены к хвостам второго билипидного слоя. Толщина бислоя - 7 нм. Билипидный слой обладает способностью к самосборке и к самовосстановлению, обладает текучестью. В состав мембран входят и белки. Те участки молекул белков, где аминокислоты имеют заряд, обращены к головкам молекул липидов, а где аминокислоты не имеют заряда - к их хвостам. По локализации в мембране белки делятся на интегральные, полуинтегральные и примембранные. Интегральные - погружаются в оба билипидных слоя, полуинтегральные только в один слой, примембранные - расположены на поверхности билипидного слоя. За счет белков толщина мембраны может увеличиваться до 10 нм. Свойства белков мембран заключаются в их способности вращаться вокруг оси, изменять ось вращения, и перемещаться, благодаря текучести билипидного слоя. По функции белки делят на транспортные (они могут образовывать каналы, через которые транспортируются ионы, аминокислоты, глюкоза), структурные, рецепторные и ферментные, кроме того, белки участвуют в образовании контактов между клетками. Плазмолемма отличается от внутриклеточных мембран большей толщиной - 10 нм (толщина внутриклеточных мембран - 6 нм). Толщина ее увеличена за счет гликокаликса, состоящего из гликолипидов и гликопротеидов, которые нередко формируют рецепторы. Толщина гликокаликса - 3-4 нм, а например, в энтероцитах кишечника до 40 нм. Кнутри плазмолеммы прилежит субплазмолеммальный слой, состоящий из филаментов, включающих сократительные белки (актин, миозин, тропамиазин, альфа-актинин). В совокупности гликокаликс, липопротеидная мембрана и кортикальный слой формируют цитолемму. Функции плазмолеммы: 1) транспортная 2) барьерная 3) рецепторная 4) опорная (участвует в формообразовании клетки, к ней крепятся элементы внутриклеточного скелета)

Транспорт веществ: Через плазмолемму, могут транспортироваться микромолекулы, макромолекулы, микрочастицы и капельки воды.

Выделяют - пассивный транспорт, который включает простую и облегченную диффузию - это процессы, которые не требуют затраты энергии. Механизмом простой диффузии осуществляется перенос мелких молекул по градиенту концентрации (О2, Н2О, СО2). Облегченная диффузия осуществляется через каналы или белки переносчики, которые обладают специфичностью в отношении транспортируемых молекул. Активный транспорт является энергоемким процессом, благодаря которому перенос молекул осуществляется с помощью белков переносчиков против электрохимического градиента. Н-р, натриево- калиевый насос (представленный белком-переносчиком Na+-K+-АТФ-азой), благодаря которому ионы Na выводятся из цитоплазмы, а ионы К одновременно переносятся в нее. Это обеспечивает поддержание осмотического давления и мембранного потенциала. Транспорт макромолекул в клетку осуществляется с помощью механизма эндоцитоза. Эндоцитоз подразделяется на фагоцитоз и пиноцитоз. Фагоцитоз - это поглощение макромолекул и микрочастиц. Этот процесс складывается из адгезии частицы к плазмолемме, которая затем впячивается внутрь клетки, втягивая туда частицу, и наконец, отшнуровывается. В результате образуется фагосома, состоящая из частицы окруженной мембраной, далее содержимое фагосомы подвергается внутриклеточной переработке. Пиноцитоз осуществляется аналогично фагоцитозу, только вместо плотной частицы захватывается капелька жидкости с растворенными в ней веществами, а захваченная капелька называется пиноцитозным пузырьком. Если через плазмолемму вещества поступают из клетки во внешнюю среду, то это называется экзоцитозом.

Рецепторы состоят из гликолипидов и гликопротеидов. Они могут быть диффузно рассеяны по поверхности цитолеммы или сконцентрированы в одном месте. При помощи рецепторов клетки узнают друг друга и объединяются в ткани, также рецепторы связываются с гормонами, что приводит к активации ферментных систем клетки.

Ткани, состоящие из клеток, не распадаются на отдельные клетки, т.к. между ними имеются межклеточные контакты.

I. Контакты простого типа: простые межклеточные соединения, интердигитации

Простое межклеточное соединение - плазмолеммы соседних клеток приближаются др. к др. на расстояние 15-20нм и взаимодействуют др. с др. гликокаликсом. Характерно для соединительнотканных клеток.

Интердигитация (пальцевидное соединение) - Плазмолемма двух клеток, сопровождая друг друга, инвагинирует в цитоплазму вначале одной, а затем - соседней клетки. Характерны для клеток эпителиальной ткани.

II. Контакты сцепляющего типа - десмосома, адгезивный поясок

Десмосомы

В области десмосомы плазмолеммы утолщены с внутренней (цитоплазматической) стороны - за счёт белков десмоплакинов. Отсюда в цитоплазму отходят в виде пучка тонкие нити (промежуточные филаменты цитоскелета. В эпителии они образованы белком кератином. Пространство между плазмолеммами заполнено утолщённым гликокаликсом, который пронизан сцепляющими белками - десмоглеинами, образующими фибриллоподобные структуры и дисковидное утолщение посередине. Характерны для клеток покровного эпителия

Адгезивный поясок

По структуре данный контакт похож на десмосомный, но имеет форму ленты, опоясывающей клетку, утолщения со стороны цитоплазмы образованы белком винкулином (а не десмоплакинами), отходящие в цитоплазму нити - тонкие (а не промежуточные) филаменты из белка актина. Характерны для однослойных эпителиев.

III. Контакты запирающего типа (плотные соединения)

Плотное соединение (запирающая зона, или zona occludens) образовано путем взаимодействия белков плазмолеммы двух контактирующих клеток. Такой тип характерен для железистой эпителиальной ткани.

IV. Контакты коммуникационного типа (нексус, синапс)

Щелевидное соединение (нексус).

В области нексуса (длиной 0,5 – 3 мкм) плазмолеммы сближаются на расстояние 2 нм и пронизываются многочисленными белковыми каналами (коннексонами), связывающими содержимое соседних клеток. Через эти каналы (диаметром 2 нм) могут диффундировать ионы и небольшие молекулы. Характерно для мышечных тканей.

Синапсы - это области передачи сигнала от одной возбудимой клетки другой. В синапсе различают пресинаптическую мембрану (принадлежащую одной клетке),синаптическующель и постсинаптическую мембрану (ПоМ) (часть плазмолеммы другой клетки). Обычно сигнал передаётся химическим веществом - медиатором, воздействующим на специфические рецепторы в ПоМ. Характерны для нервной ткани.

Мембранных органеллы:

Эндоплазматическая сеть (ЭПС) - впервые в эндоплазме фибробласта обнаружил Портер, делится на два типа - гранулярную и агранулярную (или гладкую).

Гранулярная ЭПС представляет собой совокупность плоских мешков (цистерн), вакуолей и трубочек, со стороны гиалоплазмы мембранная сеть покрыта рибосомами. В связи с этим, иногда используют другой термин - шероховатый ретикулум. На рибосомах гранулярной ЭПС синтезируются такие белки, которые затем либо выводятся из клетки (экспортные белки), либо входят в состав определённых мембранных структур (собственно мембран, лизосом и т.д.).

Функции гранулярной ЭПС:

1) синтез на рибосомах пептидных цепей экспортируемых, мембранных, лизосомных и т.п. белков,

2) изоляция этих белков от гиалоплазмы внутри мембранных полостей и концентрирование их здесь,

3) химическая модификация этих белков, а также связывание их с УВ или др. компонентами

4) их транспорт (внутри ЭПС и с помощью отдельных пузырьков).

Таким образом, наличие в клетке хорошо развитой гранулярной ЭПС свидетельствует о высокой интенсивности белкового синтеза - особенно в отношении секреторных белков.

Гладкая ЭПС в отличие от гранулярной лишена рибосом. Выполняет функции: синтез углеводов, липидов, стероидных гормонов (поэтому она хорошо выражена в клетках синтезирующих эти гормоны н-р, в коре надпочечников, гонад); дезинтоксикация ядовитых веществ (хорошо выражена в клетках печени, особенно после отравлений), депонирование ионов кальция в цистернах (в скелетной и сердечной мышечной ткани, после высвобождения стимулируют сокращение) и транспорт синтезированных веществ.

Комплекс Гольджи (впервые эту органеллу обнаружил Камилло Гольджи в 1898 г в виде зачерненной серебром сети) - это скопление 5-10 лежащих друг на друге плоских мембранных цистерн, от которых отшнуровываются мелкие пузырьки. Каждое такое скопление называется диктиосомой. В клетке может быть много диктиосом, соединённых с ЭПС и друг с другом цистернами и трубочками. По положению и функции, в диктиосомах различают 2 части: проксимальная (cis-) часть обращена к ЭПС, противоположная часть называется дистальной (trans-). При этом к проксимальной части мигрируют пузырьки от гранулярной ЭПС, обрабатываемые" в диктиосоме белки постепенно перемещаются от проксимальной части к дистальной и, наконец, от дистальной части отпочковываются секреторные пузырьки и первичные лизосомы.

Функции комплекса Гольджи:

1) сегрегация (отделение) соответствующих белков от гиалоплазмы и концентрирование их,

2) продолжение химической модификации этих белков, н-р связывание с УВ.

3) сортировка данных белков на лизосомальные, мембранные и экспортные,

включение белков в состав соответствующих структур (лизосом, секреторных пузырьков, мембран).

Лизосомы (Дедюв в 1949 г.) - это мембранные пузырьки, содержащие ферменты гидролиза биополимеров, они образуются, отпочковываясь от цистерн комплекса Гольджи. Размеры - 0,2-0,5 мкм. Функция лизосом - внутриклеточное переваривание макромолекул. Причём, в лизосомах разрушаются как отдельные макромолекулы (белки, полисахориды и т.д.), так и целые структуры - органеллы, микробные частицы и пр.

Различают 3 типа лизосом, которые представлены на электронограмме.

Первичные лизосомы - данные лизосомы имеют гомогенное содержимое.

Очевидно, это вновь образованные лизосомы с исходным раствором ферментов (около 50 различных гидролитических ферментов). Маркерный фермент - кислая фосфатаза.

Вторичные лизосомы образуются либо путём слияния первичных лизосом с пиноцитозными или фагоцитозными вакуолями, либо путём захвата собственных макромолекул и органелл клетки. Поэтому вторичные лизосомы обычно больше по размеру первичных, а их содержимое часто является неоднородным: например, в нём обнаруживаются плотные тельца. При наличии таковых говорят о фаголизосомах (гетерофагосомах) или аутофагосомах (если данные тельца - фрагменты собственных органелл клетки). При различных повреждениях клетки количество аутофагосом обычно возрастает.

Телолизосомы или остаточные (резидуальные) тельца, появляются тогда,

когда внутрилизосомальное переваривание не приводит к полному разрушению захваченных структур. При этом непереваренные остатки (фрагменты макромолекул, органелл и других частиц) уплотняются, в них часто откладывается пигмент, а сама лизосома во многом теряет свою гидролитическую активность. В неделящихся клетках накопление телолизосом становится важным фактором старения. Так, с возрастом в клетках мозга, печени и в мышечных волокнах накапливаются телолизосомы с т.н. пигментом старения - липофусцином.

Пероксисомы видимо, как и лизосомы, образуются путём отшнуровывания мембранных пузырьков от цистерн комплекса Гольджи. Обнаруживаются в большом количестве в клетках печени. Однако пероксисомы содержат иной набор ферментов. В основном, это оксидазы аминокислот. Они катализируют прямое взаимодействие субстрата с кислородом причём, последний превращается в пероксид водорода, Н₂О₂ - опасный для клетки окислитель.

Поэтому пероксисомы содержат и каталазу - фермент, разрушающий Н₂О₂ до воды и кислорода. Иногда в пероксисомах обнаруживается кристаллоподобная структура (2) - нуклеоид.

Митохондрии - (в конце прошлого века Альтман избирательно окрасил их кислым фуксином) имеют две мембраны - наружную и внутреннюю - из которых вторая образует многочисленные впячивания (кристы) в матрикс митохондрии. Митохондрии отличаются от прочих органелл ещё двумя интересными особенностями. Они содержат собственную ДНК - от 1 до 50 небольших одинаковых циклических молекул. Кроме того, митохондрии содержат собственные рибосомы, которые по размеру несколько меньше цитоплазматических рибосом и видны как мелкие гранулы. б) Данная система автономного синтеза белков обеспечивает образование примерно 5 % митохондриальных белков. Остальные белки митохондрий кодируются ядром и синтезируются цитоплазматическими рибосомами.

Главная функция митохондрий - завершение окислительного распада питательных веществ и образование за счёт выделяющейся при этом энергии АТФ - временного аккумулятора энергии в клетке.

2. Наиболее известны 2 процесса. –

а) Цикл Кребса - аэробное окисление веществ, конечными продуктами которого являются СО2, выходящий из клетки и НАДН - источник электроноа переносимых дыхательной цепью.

б) Окислительное фосфорилирование - образование АТФ в ходе переноса электронов (и протонов) на кислород.

Перенос электронов производится по цепи промежуточных переносчиков (т.н. дыхательной цепи), которая вмонтирована в кристы митохондрий. Здесь же находится и система синтеза АТФ (АТФ-синтетаза, которая сопрягает окисление и фосфорилирование АДФ до АТФ). В результате сопряжения этих процессов, энергия, освобождаемая при окислении субстратов, хранится в макроэргических связях АТФ и в дальнейшем обеспечивает выполнение многочисленных функций клеток (н-р, мышечное сокращение). При заболеваниях в митохондриях происходит разобщение окисления и фосфорилирования, в результате энергия образуется в виде тепла.

в) Другие процессы, проходящие в митохондриях: синтез мочевины, распад жирных кислот и пирувата до ацетил-КоА.

Вариабельность структуры митохондрий. В мышечных волокнах, где потребности в энергии особенно велики, митохондрии содержат большое количество плотно расположенных пластинчатых (ламинарных) крист. В клетках печени количество крист в митохондриях значительно меньше. Наконец, в клетках коры надпочечников кристы имеют тубулярную структуру и выглядят на срезе как мелкие везикулы.

К немембранным органеллам относят:

Рибосомы - образуются в ядрышке ядра. В 1953 г. их обнаружил Паладе, в 1974 г. ему была присуждена нобелевская премия. Рибосомы состоят из малой и большой субъединиц, имеют размеры 25х20х20 нм, включают рибосомные РНК и рибосомные белки. Функция - синтез белка. Рибосомы могут либо располагаться на поверхности мембран гранулярной ЭПС, либо свободно располагаться в гиалоплазме, образуя скопления - полисомы. Если в клетке хорошо развита гр. ЭПС, то она синтезирует белки на экспорт (н-р, фибробласт), если в клетке слабо развита ЭПС и много свободных рибосом и полисом, то эта клетка малодифф-я и синтезирует белки для внутреннего употребления. Области цитоплазмы богатые рибосомами и гр. ЭПС дают + р-цию на РНК при окраске по Браше (РНК окрашив-ся пиронином в розовый цвет).

Филаменты - это фибриллярные структуры клетки. Существует 3 вида филаментов: 1) микрофиламенты - это тонкие нити, образованные глобулярным белком актином (диаметром 5-7 нм) образуют в клетках более или менее густую сеть. Как видно на снимке, основное направление пучков микрофиламентов (1) - вдоль длинной оси клетки. 2) второй тип филаментов называют миозиновыми филаментами (диаметр 10-25 нм) в мышечных клетках они тесно связаны с актиновыми филаментами, образуя мифибриллу. 3) филаменты третьего типа называются промежуточными их диаметр 7-10 нм. Не принимают непосредственного участия в механизмах сокращения, а могут влиять на форму клеток (скапливаясь в тех или иных местах и, образуя опору для органелл, часто собираются в пучки, образуя фибриллы). Промежуточные филаменты имеют тканеспецифическую природу. В эпителии они образованы белком кератином, в клетках соединительной ткани - виментином, в гладких мышечных клетках - десмином, в нервных клетках (приведённых на снимке) они называются нейрофиламентами и тоже образованы особым белком. По характеру белка, можно определить из какой ткани развилась опухоль (если в опухоли обнаружен кератин, то она имеет эпителиальную природу, если виметин - соединительнотканную).

Функции филаментов - 1) образуют цитоскелет 2) участвуют во внутриклеточном движении (перемещении митохондрий, рибосом, вакуолей, втягивание цитолеммы при фагоцитозе 3) участвуют в амебовидном движении клеток.

Микроворсинки - производные плазмолеммы клеток длиной около 1 мкм, диаметром около 100 нм, в их основе имеются пучки микрофиламентов. Функции: 1) увеличивают поверхность клеток 2) в кишечном и почечном эпителии выполняют функцию всасывания.

Микротрубочки тоже образуют в клетке густую сеть. Сеть начинается от перинуклеарной области (от центриоли) и радиально распространяется к плазмолемме. В том числе микротрубочки идут вдоль длинной оси отростков клеток.

Стенка микротрубочки состоит из одного слоя глобулярных субъединиц белка тубулина. На поперечном срезе - 13 таких субъединиц, образуют кольцо. В неделящейся (интерфазной) клетке создаваемая микротрубочками сеть играет роль цитоскелета, поддерживающего форму клетки, а также играют роль направительных структур при транспорте веществ. При этом транспорт веществ идёт не через микротрубочки, а по перитубулярному пространству. В делящихся же клетках сеть микротрубочек перестраивается и формирует т.н. веретено деления. Оно связывает хроматиды хромосом с центриолями и способствуют правильному расхождению хроматид к полюсам делящейся клетки.

Центриоли. Кроме цитоскелета, микротрубочки образуют центриоли. Состав каждой из них отражается формулой: (9 х 3) + 0 . Центриоли располагаются парой - под прямым углом друг к другу. Такая структура называется диплосомой. Вокруг диплосом - т.н. центросфера, зона более светлой цитоплазмы в ней содержатся дополнительные микротрубочки. Вместе диплосома и центросфера называются клеточным центром. В неделящейся клетке - одна пара центриолей. Образование новых центриолей (при подготовке клетки к делению) происходит путём дупликации (удвоения): каждая центриоль выступает в качестве матрицы, перпендикулярно которой формируется (путём полимеризации тубулина) новая центриоль. Поэтому, как в ДНК, в каждой диплосоме одна центриоль является родительской, а вторая - дочерней.

Реснички и жгутики

В отличие от центриолей, реснички имеются лишь у некоторых клеток - в частности, у клеток, выстилающих дыхательный пути. Реснички - это покрытые плазмолеммой выпячивания цитоплазмы, по центру которых проходит аксонема (осевая нить). Аксонема образована микротрубочками по схеме: (9 х 2) + 2 . При этом от каждого периферического дуплета на разных его уровнях отходят по направлению к соседнему дуплету - две т.н. ручки (3) из белка динеина, а по направлению к центральному футляру - радиальные мостики. При замыкании и размыкании динеиновых мостиков соседние дуплеты несколько перемещаются друг относительно друга, что приводит к изгибу (биению) реснички. Каждая аксонема прикреплена к базальному телу, находящемуся в поверхностных слоях цитоплазмы. По строению базальное тело похоже на центриоль, т.е. состоит из 9 периферических триплетов. При этом по две микротрубочки каждого триплета переходят в дуплет аксонемы.

Клеточное ядро.

Форма ядра различных клеток неодинакова: встречаются клетки с округлым, овальным, бобовидным, палочковидным, многолопастным, сегментированным ядром. Чаще всего форма ядра в целом соответствует форме клетки: оно обычно сферическое в клетках округлой или кубической формы, вытянутое или эллипсоидное в призматических клетках, уплощенное в плоских. Расположение ядра варьирует в разных клетках, оно может лежать в центре (в клетках округлой, плоской, кубической или вытянутой формы), у ее базального полюса (в клетках призматической формы) или на периферии (жировые клетки). Величина ядра в среднем 5-10 мкм, и она относительно постоянна для каждого типа клеток, однако может меняться в определенных пределах, увеличиваясь при увеличении функциональной активности клетки и уменьшаясь при ее угнетении. В разных видах клеток наблюдается неодинаковое соотношение ядра и цитоплазмы. Так, например, в клетках ядерного типа - крупное ядро и узкий ободок цитоплазмы (лимфоцит), в клетках цитоплазматического типа объем цитоплазмы превосходит объем ядра (н-р, бокаловидные клетки).

Компоненты ядра. Кариолемма - или ядерная оболочка, хроматин, ядрышко и кариоплазма (ядерный матрикс или ядерный сок).

Функции ядра:

1. хранение генетической информации (в молекулах ДНК, находящихся в хромосомах)

2. реализация генетической информации, контролирующей осуществление разнообразных процессов в клетке - от синтетических до запрограммированной гибели (апоптоз)

3. воспроизведение и передачу генетической информации (при делении клетки)

Ядерная оболочка - на светооптическом уровне практически не определяется, под электронным микроскопом обнаруживается, что она состоит из двух мембран - наружной и внутренней разделенных полостью шириной 15-40 нм (перинуклеарным пространством). Наружная - покрыта рибосомами и тесно связана с гр. ЭПС. Нередко можно видеть, как наружная мембрана продолжается в канальцы гр. ЭПС. Внутренняя мембрана является местом прикрепления хромосом. В нуклеолемме имеются ядерные поры. В их состав входят поровые комплексы, в составе которых имеются: отверстие поры диаметром около 90 нм, гранулы поры и мембрана поры. Отверстие поры образуется в результате слияния наружной и внутренней мембран. Гранулы поры располагаются в 3 ряда, по 8 гранул в каждом ряду. Размеры гранул около 25 нм. От гранул к центру сходятся фибриллы, формирующие диафрагму, в середине которой лежит центральная гранула (по некоторым представлениям - это транспортируемая через пору субъединица рибосомы.

Функции комплекса ядерной поры:

1. Обеспечение регуляции избирательного транспорта веществ между цитоплазмой и ядром.

2. Активный перенос в ядро некоторых белков, имеющих особую маркировку и распознаваемой рецепторами в комплексе поры.

3. Перенос в цитоплазму субъединиц рибосом.

Чем больше пор в нуклеолемме, тем активнее ядро, если активность снижена, то количество пор уменьшается, если синтетическая активность ядра близка к нулю, то поры в ядре отсутствуют (н-р, в кариолемме ядра сперматозоида).

Хроматин занимает основную часть объёма ядра. Он представлен тёмными (электроноплотными) глыбками - т.н. гетерохроматином (функционально неактивные отделы и целые хромосомы, которые конденсированы, образуя глыбки) и светлыми (электронопрозрачными) областями - эухроматином это функционально активные, участвующие в транскрипции части хромосом, которые находятся в деконденсированном (диффузном) состоянии. Причём, глыбки гетерохроматина находятся, главным образом, на периферии ядра и прилежат к ядерной оболочке. При изменении состояния клетки или в процессе дифференцировки возможен переход части гетерохроматина в эухроматин и обратно. Таким образом, чем больше в ядре доля гетерохроматина, тем ниже функциональная активность ядра, т.е. тем меньше скорость синтеза РНК. Так, в ядре нервной клетки гетерохроматина очень мало - ядро и клетка в целом функционально очень активны. Напротив, в лимфоците наблюдается преобладание гетерохроматина. Это вполне коррелирует с очень малым объёмом цитоплазмы, которая к тому же бедна органеллами. Данная клетка циркулирует в крови, и процессы синтеза РНК и белков идут в ней с небольшой скоростью. Хроматин дает положительную реакцию на ДНК (реакция Фельгена) - ДНК окрашивается в вишневый цвет, а все прочие структуры в зеленый, также по методу Браше хроматин окрашивается метиловым зеленым в соответствующий цвет красителя. Весь хроматин в целом - это совокупность 46 хромосом. Каждая из них представляет собой нуклеопротеидный комплекс - двуцепочечную молекулу ДНК, которая определённым образом связана с ядерными белками. Содержание белков в хромосоме по массе в 1,3-1,7 раза больше, чем ДНК. Кроме того, в хромосоме обнаруживается и РНК, являющаяся продуктом транскрипции. Тарнскрипция сопровождается экспрессией рибосомных и нерибосомных генов. Ген - единица наследственной информации, состоящий из нуклеотидов.

Экспрессия нерибосомных генов:

1. Сопровождается синтезом гигантской молекулы гетерогенной и-РНК при участии катализатора ДНК-полимеразы

2. Гигантская и-РНК подвергается сплайсингу, в результате длина гигантской и-РНК укорачивается в 10-30 раз и она превращается в и-РНК.

3. и-РНК взаимодействует с белками и образует РНК-азную гранулу (интерхроматиновая гранула диаметром 30 нм).

4. Перемещаясь на перпиферию ядра интерхроматиновая гранула перезревает в перихроматиновую гранулу диаметром 45 нм.

5. Перихроматиновая гранула покидает ядро в форме информосом.

Одним из компонентов гетерохроматина может быть т.н. половой хроматин.

У мужчин в наборе хромосом каждой клетки содержатся, как известно, по одной Х- и Y-половой хромосоме. Обе они находятся в деконденсированном состоянии, т.е. входят во фракцию эухроматина. У женщин в клетках содержатся по две Х-хромосомы. Одна из них деконденсирована. Вторая же Х-хромосома всегда находится в конденсированном состоянии, образуя в ядре компактное тельце - половой хроматин. Для обнаружения полового хроматина обычно исследуют мазок крови. В нейтрофильных лейкоцитах женщин половой хроматин выявляется в виде барабанной палочки, находящейся в одном из сегментов ядра. По этому признаку в судебной медицине отличают кровь женщин от крови мужчин. В деконденсированном состоянии длина одной молекулы ДНК равна в среднем около 5 см, а общая длина молекулы ДНК всех хромосом в ядре более 2м. В этой связи очевидна необходимость компактной упаковки молекул ДНК.

Выделяют 4 уровня компактизации ДНК:

1. Нуклеосомный (длина уменьшается в 6-7 раз). Нуклеосома - это белковая частица, состоящая из основных белков - гистонов. Основа каждой нуклеосомы - глобула из 8 молекул гистонов (октамер). Двуцепочечная молекула ДНК последовательно "намотана" на огромное количество таких глобул, делая вокруг каждой из них почти по 2 оборота (1,75 раз). В участках между глобулами с ДНК связано ещё по 1 молекуле гистона. В итоге, совокупность нуклеосом выглядит как цепь бусин, а деконденсированный хроматин имеет гранулярную структуру.

2. Нуклеомерный (компактизация в 40 раз). Формируется суперспираль. Ее витки образуют нуклеосомы обвитые ДНК. Каждый виток суперспирали образован 6-ю нуклеосомами и называется нуклеомерой, ее диаметр 25-30 нм. Суперспираль - это элементарная нить эухроматина. Гетерохроматин и полностью конденсированные хромосомы тоже имеют нуклеосомную организацию. Однако здесь добавляются и следующие уровни укладки хромосомы, что приводит к резкому сокращению её длины.

3. Хромомерный (компактизация в 680 раз). Негистоновые белки сшивают

суперспираль в боковые петельные домены, с образованием хромомеры.

4. Хромонемный - связывают со сближением хромомеров, боковые петли переплетаются и образуют кластеры, которые формируют хромонему. Их диаметр от 300 нм. Кластер рассматривают, как компонент гетерохроматина, видимый в световой микроскоп, как глыбка.

5. Хроматидный уровень компактизации образуется только при делении клетки, в результате образуются митотические хромосомы, видимые в световой микроскоп. Во время деления ДНК редуплицируется, каждая дочерняя хромосома, называемая хроматидой связана в области первичной перетяжки (центромеры), она делит хроматиду на два плеча. Каждая хроматида образуется путем закручивания в спираль хромонемы. Виток спирали имеет диаметр 700 нм и содержит 18-20 хромомер.

Совокупность числа, размеров и особенностей строения хромосом называется кариотипом. Оценка кариотипа производится путем изучения хромосом в метафазной пластинке. Для кариотипирования получают культуру клеток, в которую вводят колхицин, блокирующий формирование веретена. Из таких клеток извлекают хромосомы, которые далее окрашивают и идентифицируют. Нормальный кариотип человека представлен 46 хромосомами - 22 пары аутосом и двумя половыми хромосомами. Кариотипорование позволяет диагносцировать ряд заболеваний, связанных с хромосомными аномалиями, в частности синдром Дауна - трисомия 21 хромосомы.

Ядрышко - это место образования рибосом в клетке. Оно образовано специализированными участками хромосом, которые называются ядрышковыми организаторами. У человека такие участки имеются в пяти хромосомах - 13, 14, 15, 21 и 22, где находятся многочисленные копии генов, кодирующих рибосомальные РНК. Ядрышко выявляется в интерфазном ядре на светооптическом уровне как мелкая плотная гранула, интенсивно окрашивающаяся основными красителями. При окраске по методу Браше дает + реакцию на РНК - окрашивается пиронином в розовый цвет. Оно располагается в центре ядра или эксцентрично. Размеры и число ядрышек увеличиваются при повышении функциональной активности клетки. Особенно крупные ядрышки характерны для эмбриональных и активно синтезирующих белки клеток, а также клеток быстро растущих злокачественных опухолей. Под электронным микроскопом в ядрышке обнаруживают 3 компонента.

1. центральный фибриллярный светлый компонент - окрашивается бледно, где находится ДНК ядрышкового организатора, содержащей информацию о р-РНК.

2. периферический фибриллярный компонент - в виде тонких нитей и представляет собой транскрипты р-РНК.

3. гранулярный компонент - субъединицы рибосом.

Кариоплазма - жидкий компонент ядра, в котором располагаются хроматин и ядрышко. Содержит воду и ряд растворенных и взвешенных в ней веществ: РНК, гликопротеины, ионы, ферменты, метаболиты. Некоторые авторы разделяют понятие кариоплазмы и ядерного матрикса, к последнему помимо кариоплазмы относят также и кариоскелет, состоящий из ядерной ламины и фибриллярной сети, пронизывающей ядро. Ламина это пластинка белковой природы, которая связана с внутренней мембраной. К ядерной ламине и внутриядерной фибриллярной сети крепятся хромосомы, а также разнообразные белковые комплексы с ферментативной или регуляторной функцией.

Клеточный цикл - это время существования клетки от одного деления до другого, или от деления до гибели. Клеточный цикл включает собственно митотическое деление и интерфазу - промежуток между делениями. Интерфаза значительно более длительна, чем митоз (обычно занимает не менее 90% клеточного цикла) и подразделяется на 3 периода: пресинтетический или постмитотический (G1), синтетический (S) и постсинтетический или премитотический (G2).

G1 - наступает сразу после митоза и характеризуется активным ростом клетки и синтезом белка и РНК, благодаря чему клетка достигает нормальных размеров и восстанавливает необходимый набор органелл (продолжительность от неск часов до неск дней)

S - характеризуется удвоением (репликацией) ДНК и синтезом белков, в частности гистонов, которые поступают в ядро и обеспечивают нуклеосомную упаковку ДНК. Одновременно удваивается число центриолей. Этот период у большинства клеток длится 8-12 часов.

G2 - В течение этого периода клетка осуществляет непосредственную подготовку к делению. Происходит созревание центриолей, запасается энергия, синтезируется РНК и белки (в частности тубулины, необходимые для образования веретена деления). Продолжительность 2-4 часа. Некоторые клетки могут выходить из клеточного цикла, это обозначается буквой G0. Клетка, вошедшая в этот период, утрачивает способность к митозу. В том случае, если клетка временно утрачивает способность к делению, она подвергается начальной дифференцировке. При этом дифференцированная клетка специализируется для выполнения определенной функции, после чего она способна вновь возвратиться в клеточный цикл. Н-р, при повреждении печени гепатоциты, подвергшиеся начальной дифференцировке, возвращаются в клеточный цикл, и за счет их деления происходит быстрое восстановление ткани. Те клетки, которые окончательно утрачивают способность к делению, не могут возвратиться в клеточный цикл и погибают. Н-р, гранулоциты крови, подвергшиеся дифференцировке, функционируют в течение 8 суток, а затем погибают. Также высокоспециализированные клетки - кардиомиоциты или нервные клетки не способны делиться.

Митоз - непрямое деление. В процессе, которого происходит равномерное распределение хромосомного материала между дочерними клетками. Выделяют 4 фазы, общая продолжительность которых 2 часа. Профаза - 30-60 мин, метафаза 10-20 мин, анафаза - 2-3 мин, телофаза - 30-40 мин.

Мейоз - это такое деление, при котором в дочерних клетках оказывается половинный (гаплоидный) набор хромосом. Такое деление имеет место при образовании половых клеток. Особенности мейоза: состоит из 2-х делений, второе деление без S-периода в интерфазе, 80% времени занимает профаза первого деления. В ней выделяют периоды: 1. Лептотена - хромосомы спирализуются и приобретают вид тонких нитей. 2. Зиготена - гомологичные хромосомы конъюгируют друг с другом. Пахитена - пары хромосом ещё больше спирализуются и, утолщаясь, укорачиваются. Хромосомы обмениваются гомологичными участками (кроссинговер).Вместе с тем активируются синтезы РНК и белка. Благодаря этому, сильно увеличивается объём ядра и клетки. Диплотена - гомологичные хромосомы начинают расходиться. Но между ними сохраняются хиазмы - перекрёсты в местах происшедшего кроссинговера. Из-за ещё большей спирализации хромосомы утолщаются и подразделяются на хроматиды. Поэтому каждая пара гомологичных хромосом выглядит как тетрада. Диакинез - хиазмы исчезают из-за ещё большего расхождения гомологичных хромосом.

Амитоз - этот тип деления характеризуется тем, что хромосомный материал ядра материнской клетки может распределяться неравномерно между дочерними клетками. Такой тип деления считается ненормальным.

Полиплоидия - это процесс увеличения количества хромосом в ядре клетки. В результате образуются полиплоидные клетки. Это может происходить в результате блокирования одной из фаз митоза, либо нарушения цитотомии во время телофазы. Н-р, гепатоциты, мегакариоциты красного костного мозга, гландулоциты ацинусов слюнных желез.

Эндорепродукция - это последовательное многократное удвоение ДНК, в результате увеличивается набор хромосом, при этом хромосомы связаны тонкими нитями, эти структуры называются политенами. Характерными для клеток плаценты.

Виды гибели клетки.

Апоптоз - запрограммированная гибель клетки наблюдается в различных тканях человека и животных в норме, при патологии, в процессе эмбрионального развития. Такая гибель связана с тем, что в ДНК хромосом имеются гены, в которых закодирована программа гибели клетки. Она запускается в двух случаях: 1) при воздействии на клетку некоторых белков или гормонов (н-р, повышенное содержание ГКС в крови инициирует апоптоз лимфоцитов) 2) если на клетку не поступают регулирующие сигналы (Н-р, при кастрации, к предстательной железе не поступают сигналы от семенников, что приводит к саморазрушению клеток простаты).

Выделяют 4 стадии в развитии апоптоза Для первой стадии характерно разделение ДНК на нуклеосомные фрагменты, хроматин конденсируется в виде крупных глыбок, которые располагаются в виде полулуний около ядерной мембраны. Цитоплазма становится конденсированной. Вторая стадия апоптоза характеризуется образованием ограниченных мембраной апоптозных телец. Некоторые апоптозные тельца содержат один или более фрагментов ядра, другие могут быть представлены только фрагментами цитоплазмы. Третья стадия - фагоцитоз апоптозных телец макрофагами. Четвертую стадию характеризует наличие остаточных телец в фагоцитах.

Некроз (греч. nekros - мертвый) возникает в результате прямого воздействия патогенного фактора (микроорганизм, ишемия и др.), нарушающего целостность мембраны клетки. В отличие от апоптоза при некротической форме гибели клетки набухают и признаки первичного повреждения наблюдаются в цитоплазме, а не в ядре. Обращают на себя внимание отек, набухание и просветление матрикса, нарушение структуры митохондрий, происходит разрушение плазматической мембраны. В ядре хроматин конденсируется, ядро уменьшается, уплотняется - кариопикноз, затем распадается на фрагменты - кариорексис и лизируется - кариолизис. В конечном итоге при некрозе происходят тотальное разрушение мембран, ядра и органелл цитоплазмы, выброс цитоплазматического содержимого в окружающее пространство. Как правило, некроз клеток сопровождается воспалительной реакцией, что нехарактерно для апоптоза.

Включения - необязательные компоненты цитоплазмы; они возникают и исчезают в зависимости от состояния клетки.

Различают 4 типа включений:

I. Трофические (капельки жиров, гранулы полисахаридов и т.д.) - резервные запасы питательных веществ.

II – III. Секреторные и экскреторные включения - обычно это мембранные пузырьки, содержащие вещества, подлежащие выведению из клетки;

в одном случае (II) это биологически активные вещества (секреты клетки) (п. 2.2.2.3), в другом случае (III) - ненужные продукты обмена.

IV. Пигментные включения – экзогенные (красители, провитамин А и т.д.), эндогенные (меланин, гемосидерин (комплекс белка с железом), гемоглобин и др.).

IV. Табличные, справочные и другие материалы (см. Раздел III.Учебно-материальное обеспечение, таблицы).

27