2 курс / Гистология / Лекции_по_гистологии_ТГМУ_ч_1

Рис. 10. Механизм передачи внешних сигналов во внутреннюю среду клетки посредством поверхностных клеточных рецепторов (по К. де Дюву).

Гликокаликс образует своеобразные «антенны», которые состоят из нескольких моно (олиго) сахаридных участков. Эти участки имеют разную конфигурацию, благодаря чему могут связываться с самыми различными химическими веществами. «Антенны» распознают различные внешние сигналы: молекулы гормонов, нейромедиаторов, факторов роста, цитокинов, генетически чуждые вещества и др. Рецепторные белки и углеводные участки часто связаны (каталитические рецепторы). Такие рецепторные белки являются трансмембранными и состоят из рецепторного и каталитического участков.

Мембранные рецепторы могут изменять проницаемость мембран для ионов, что ведет к формированию электрического импульса (рецепторы к нейромедиаторам). Это так называемые рецепторы, связанные с ионными каналами. Рецепторы также контролируют поступление в клетку различных молекул, связывают молекулы внеклеточного матрикса с компонентами цитоскелета (рецепторы, связывающие молекулы внеклеточного матрикса с цитоскелетом). К таким рецепторам относят, например, интегрины. Они относятся к молекулам адгезии клеток. Интегрины – трансмембранные белки, воспринимающие молекулы внеклеточного матрикса, в частности фибромектина и ламинина. В свою очередь, фибромектин связываются с другими молекулами внеклеточного матрикса (фибрином, коллагеном, гепарином и др.), а интегрин при помощи ряда других белков с цитоскелетом. Таким образом, влияние молекул внеклеточного матрикса может передаваться на компонент цитоскелета. Под влиянием раздражения этого вида рецепторов может изменяться состояние подмембранного слоя, и клетка может начать движение, а также экзоцитоз, эндоцитоз и другие виды деятельности.

Особый вид поверхностных рецепторов – рецепторы, связанные с G –белками. Это трансмембранные белки, которые могут быть связаны либо с ионным каналом, либо с ферментом. Состоит из двух частей: рецепторной, взаимодействующей с сигнальными молекулами, и субединиц G-белка A, B, Y, G – белки – белки, связывающие гуанозинтрифосфат. После связывания с сигнальной молекулой комплекс G-белков передает сигнал на ассоциированный с цитолеммой фермент аденилатциклазу, которая синтезирует вторичный посредник циклический аденозинмонофосфат. В качестве вторичного посредника могут выступать и молекулы кальция. Через рецепторы, связанные G-белками, опосредуется действие на клетку подавляющего большинства гормонов и нейромедиаторов.

Внутриклеточные рецепторы находятся внутри клетки – в гиалоплазме, на мембранах органелл (цитоплазматические рецепторы), в ядре (ядерные рецепторы). Они предназначены для гормонов и других биологически активных веществ, которые в силу неполярности своих молекул могут легко проникать внутрь клетки (стероидные и тиреоидные гормоны и др.). Особый интерес представляют ядерные рецепторы. С этим рецепторами связываются такие гормоны, как стероидные, тиреоидные, витамин D3. Молекулы таких рецепторов состоят из двух участков: участок для связывания с гормоном и участок, взаимодействующий со специфическими участками ДНК в ядре. Ядерные рецепторы являются факторами транскрипции. Некоторые их них относятся к протооктогенам – генам нормального генома, регулирующим пролиферацию клеток органов мишеней, их дифференцировку и межклеточные взаимодействия. В результате соматических мутаций в протоонкогенах может происходить злокачественное перерождение клеток.

Внутриклеточные рецепторы могут находиться также на мембранах органелл, например, на митохондриях содержатся рецепторы к тиреоидным гормоном и т.д.

Молекулы адгезии клеток.

С деятельностью поверхностных рецепторов клеток связан такой феномен, как клеточная адгезия.

Адгезия – процесс взаимодействия специфических гликопротеинов соприкасающихся плазматических мембран распознающих друг друга клеток или клеток

ивнеклеточного матрикса. Все молекулы клеточной адгезии подразделяются на 5 классов.

1.Кадгерины – это трансмембранные гликопротеины использующие для адгезии ионы кальция. Отвечают за организацию цитоскелета, взаимодействие клеток с другими клетками.

2.Интегрины. Как уже отмечалось, интегрины представляют собой мембранные рецепторы для белковых молекул внеклеточного матрикса – фибронектина, ламинила и др. связывают внеклеточный матрикс с цитоскелетом при помощи внутриклеточных белков талина, винкулина, а – актинина. Функционируют как клеточно-внеклеточные, так

имежклеточные адгезионные молекулы.

3.Селектины. Обеспечивают прилипания лейкоцитов к эндотелию сосудов и тем самым лекоцитарно-эндотеальные взаимодействия, меграцию лейкоцитов через стенки сосудов ткани.

4.Семейство иммуноглобулинов. Эти молекулы играют важную роль в имунном ответе, а также в эмбриогенезе, заживление ран и др.

5.Гоминговые молекулы. Обеспечивают взаимодействие лимфоцитов с эндотелием, их миграцию и заселение специфических зон иммунокомпетентных органов.

Таким образом, адгезия является важным звеном клеточной рецепции, играет большую роль в межклеточных взаимодействиях клеток с внеклеточным матриксом. Адгезионные процессы абсолютно необходимы при таких общебиологических процессах, как эмбриогенез, иммунный ответ, рост, регенерация и др. Они участвуют также в регуляции внутриклеточного и тканевого гомеостаза.

Цитоплазма.

Основными структурами цитоплазмы являются, гиалоплазма (матрикс), органеллы и включения.

Гиалоплазма. Гиалоплазму называют также клеточным соком, цитозолем, или клеточным матриксом. Это основная часть цитоплазмы, составляющая около 53-55% объёма клетки. В ней осуществляются основные клеточные обменные процессы. Гиалоплазма является сложной коллоидной системой и состоит из гомогенного мелкозернистого вещества с низкой электронной плотностью. Она состоит из воды, белков, нуклеиновых кислот, полисахаридов, липидов, неорганических веществ. Гиалоплазма может менять свое агрегатное состояние: переходить из состояния жидкого (золь) в более плотное – гель. При этом может изменятся форма клетки, её подвижность и обмен веществ.

Функции гиалоплазмы:

1.Метаболическая – метаболизм жиров, белков, углеводов.

2.Формирование жидкой микросреды (матрикса клетки).

3.Участие в движение клетки, обмене веществ и энергии.

Органеллы.

Органеллы – это второй важнейший обязательный компонент клетки.

Органеллами называют структуры цитоплазмы, выполняющие конкретные функции, необходимые для поддержания жизнедеятельности клетки. Это обеспечение её энергетического обмена, синтетических процессов, транспорта веществ и т.п. По функциональному признаку все органеллы делятся на 2 группы.

1. Органеллы общего значения. Содержатся во всех клетках, поскольку необходимы для их жизнедеятельности. Такими органеллами являются: митохондрии, эндоплазматическая сеть двух видов, комплекс Гольджи, центриолы, рибосомы, лизосомы, пероксисомы, микротрубочки и микрофиламенты.

2. Органеллы специального значения. Есть только в тех клетках, которые выполняют специальные функции. Такими органеллами являются миофибриллы в мышечных клетках и волокнах, нейрофибриллы в нейронах, жгутики и реснички.

По структурному признаку все органеллы делятся на: 1) органеллы мембранного типа и 2) органеллы не мембранного типа. Кроме того, не мембранные органеллы могут быть построены по фибриллярному и гранулярному принципу.

В органеллах мембранного типа основным компонентом являются внутриклеточные мембраны. К таким органеллам относится митохондрии, эндоплазматическая сеть, комплекс Гольджи, лизосомы, пероксисомы. К не мембранным органеллам фибриллярного типа относятся микротрубочки, микрофиламенты, реснички, жгутики, центриолы. К не мембранным гранулярным органеллам относят рибосомы, полисомы.

Мембранные органеллы.

Эндоплазматическая сеть – мембранная органелла, описанная в 1945 году К. Портером. Ее описание стало возможно благодаря электронному микроскопу. Эндоплазматическая сеть – это система мелких каналов, вакуолей, мешочков, образующих в клетке непрерывную сложную сеть, элементы которой часто могут формировать кажущиеся на ультратонких срезах изолированными вакуолы.

Эндоплазматическая сеть построена из мембран, более тонких (около 60 мм), чем цитолемма, и содержащих больше белка из-за находящихся в ней многочисленных ферментных систем.

Различают два типа эндоплазматической сети: зернистую (гранулярную, шероховатую) и незернистую (гладкую, аграрную). Оба типа эндоплазматической сети могут взаимно переходить друг в друга и функционально связаны между собой так называемой переходной, или транзиторной, зоной.

Гранулярная эндоплазматическая сеть (рис. 11.) содержит на своей поверхности рибосомы (полисомы) и являются органеллой биосинтеза белка. Полисомы и рибосомы связываются с эндоплазматической сетью при помощи так называемого причального белка. При этом в мембране эндоплазматической сети имеются специальные интегральные белки рибофорины, также связывающие рибосомы и формирующие гидрофобные трансмембранные каналы для транспорта синтезированной полипептидной цепи в просвет гранулярной эндоплазматической сети.

Гранулярная эндоплазматической сеть видна только в электронном микроскопе. В световом микроскопе признаком развитой гранулярной эндоплазматической сети служит базофилия птитоплазмы. Гранулярная эндоплазматическая сеть имеется в каждой клетке, но степень ее развития различна. Она максимально развита в клетках, синтезирующих белок на экспорт, т.е. в секреторных клетках. Максимального развития гранулярная эндоплазматическая сеть достигает в нейроцитах, в которых ее цистерны приобретают упорядоченное расположение. В этом случае на светомикроскопическом уровне она

выявляется в виде закономерно расположенных участков базофилии цитоплазмы, называемых базофильной субстанцией Ниссля.

Рис. 11. Гранулярная эндоплазматическая сеть.

а – электронограмма × 180 000 (по Ж.К. Роллану)

б – схема: 1 – мембрана эндоплазматическая сеть; 2 – рибосомы, связанные с и РНК (полисомы); 3 – синтезированная полипептидная цепь (по К. де Дюву).

Функция гранулярной эндоплазматической сети – это синтез белка на экспорт. Кроме того, в ней происходят начальные посттрансляционные изменения полипептидной цепочки: гидроксилирование, сульфатирование и фосфорилирование, гликозилирование.

Последняя реакция особенно важна, т.к. приводит к образованию гликопротеинов наиболее частого продукта клеточной секреции.

Агранулярная (гладкая) эндоплазматическая сеть представляет собой трехмерную сеть канальцев, не содержащих рибосомы. Гранулярная эндоплазматическая сеть может без перерыва переходить в гладкую эндоплазматическую сеть, но может существовать как самостоятельная органелла.

Место перехода гранулярной эндоплазматической сети в гранулярную называется переходной (промежуточной, транзиторной) частью. От нее происходит отделение пузырьков с синтезированным белком и транспорт их к комплексу Гольджи.

Функции гладкой эндоплазматической сети:

1.Разделение цитоплазмы клетки на отделы – компартменты, в каждом из которых идет своя группа биохимических реакций.

2.Биосинтез жиров, углеводов.

3.Образование пероксисом.

4.Биосинтез стероидных гормонов.

5.Дезинтоксикация экзо- и эндогенных ядов, гормонов, биогенных аминов, лекарств, за счет деятельности специальных ферментов.

6.Депонирование ионов кальция (мышечных волокнах и миоцитах);

7. Источник мембран для восстановления кариолеммы в телофазе митоза. Пластинчатый комплекс Гольджи. Это мембранная органелла описанная в 1898 г.

итальянским нейрогистологом К.Гольджи. Он назвал эту органеллу внутриклеточным сетчатым аппаратом из-за того, что в световом микроскопе она имеет сетчатый вид (Рис.12,а). Световая микроскопия не дает полного представления о строении этой органеллы. В световом микроскопе комплекс Гольджи имеет вид сложной сети, в которой ячейки могут быть связаны друг с другом или лежать независимо друг от друга (диктиосомы) в виде отдельных темных участков, палочек, зерен вогнутых дисков. Между сетчатой и диффузной формой комплекса Гольджи нет принципиального различия, может наблюдаться смена форм этой органеллы. Еще в эпоху световой микроскопии было отмечено, что морфология комплекса Гольджи зависит от стадии секреторного цикла. Это позволило Д.Н.Насонову предложить, что комплекс Гольджи обеспечивает накопление синтезируемых веществ в клетке. По данным электронной микроскопии, комплекс Гольджи состоит из мембранных мешков с ампулярными расширениями на концах, а также крупных и мелких вакуолей (Рис.12, б, в). Совокупность этих образований называют диктиосомой. В диктиосоме находятся 5-10 мешковидных цистерн. Число диктиосом в клетке может достигать нескольких десятков. При этом каждая диктиосома связана с соседней при помощи вакуолей. В каждой диктиосоме есть проксимальная, незрелая, формирующаяся, или цис – зона, повернутая к ядру, и дистальная транс-зона. Последняя, в отличие от выпуклой цис-поверхности, вогнутая, зрелая, обращена к цитолемме клетки. С цис – стороны происходит присоединение пузырьков, отделяющихся от переходной зоны эндоплазматическая сеть и содержащих вновь синтезированный и частично процессированный белок. При этом мембраны пузырьков встраиваются в мембрану цис – поверхности. С транс-стороны отделяются секреторные пузырьки и лизосомы. Таким образом, в комплексе Гольджи существует постоянный поток клеточных мембран и их созревание.

Функции комплекса Гольджи.

1.Накопление, созревание и конденсация продуктов биосинтеза белка (проходящего в гранулярной эндоплазматической сети).

2.Синтез полисахаридов и превращение простых белков в гликопротеины.

3.Образование липопротеинов.

4.Формирование секретных включений и выделение их из клетки (упаковка и секреция).

5.Образование первичных лизосом.

6.Формирование клеточных мембран.

7.Образование акросомы – структуры, содержащей ферменты, находящейся на переднем конце сперматозоида и необходимой для оплодотворения яйцеклетки, разрушения ее оболочек.

Рис. 12. Пластинчатый комплекс Гольджи.

а – микрофотография: в нейронах спинномозгового узла комплекс Гольджи выявляется в виде сети, зерен, палочек.

б – электроннограмма комплекса Гольджи; 1 – секреторная вакуоль; 2 – транс сторона; 3 – цистерны; 4 – переходные пузырьки; 5 – цис-сторона; 6 – рибосомы; 7 – гранулярная эндоплазматическая сеть; в – схема, выполненная с электроннограммы, стрелка показывает направление

мембранного потока. Обозначения те же (б, в – по Ж.К. Роллану и соавт.).

Митохондрии. Эти органеллы обеспечивают окисление органических соединений и синтез АТФ. Были открыты в 1890 году немецким ученым Р.Альтманом при помощи предложенного им метода окрашивания кислым фуксином, при этом выглядели в виде нитей и зерен (отсюда их название).

Митохондрии в отличие от других органелл обладают собственной генетической системой, необходимой для самовоспроизведения и синтез белков. Они имеют свои ДНК, РНК и рибосомы, отличающиеся от таковых в ядре и в других отделах цитоплазмы клетки. Митохондрии способны размножаться в клетке путем бинарного деления. Таким образом, они являются самовоспроводящимися органеллами. Вместе с тем часть белков кодируется ядерными генами и поступает в митохондрии из гиалоплазмы, поэтому митохондрии в отношении самовоспроизведения называют полуавтономными структурами.

Размеры митохондрий составляют от 0,5 до 7 мкм, а их общее число в клетке от 50 до 5000. Эти органеллы хорошо видны в световом микроскопе (рис.13 а). Электронный микроскоп показал, что митохондрии состоят из двух мембран – наружной и внутренней, каждая из которых имеет толщину 7 нм. (рис. 13 б, в) Между наружной и внутренней мембранами имеется щель размером до 20 нм.

Рис. 13. Строение митохондрий.

а – микрофотография митохондрий в клетках печени аксалотля, выявленных по методу Альтмана; митохондрии видны в виде мелких многочисленных зерен в цитоплазме клеток.

б – электронограмма митохондрии; 1 – наружная мембрана; 2 – внутренняя мембрана; 3 – матрикс; 4 – кристы.

в – схема ультрамикроскопического строения митохондрии: 1 – кристы; 2 – оксисомы (б, в по К. де Дюву).

Внутренняя мембрана неровная, образует много складок, или крист. Эти кристы идут перпендикулярно поверхности митохондрии. На поверхности крист имеются грибовидные образования (оксиомы, АТФ-сомы или F1-частицы), представляющие собой АТФ-синтетазный комплекс (рис. 14). Внутренняя мембрана отграничивает матрикс митохондрии. Он содержит многочисленные ферменты для окисления пирувата и жирных

кислот, а также ферменты цикла Кребса. Кроме того, в матриксе находятся митохондриальная ДНК, митохондриальные рибосомы, РНК и ферменты активации митохондриального генома. Внутренняя мембрана содержит белки трех типов: ферменты, катализирующие окислительные реакции; АТФ-синтетазный комплекс.

Синтезирующий в матриксе АТФ; транспортные белки. Наружная мембрана содержит ферменты, превращающие липиды в реакционные соединения, участвующие затем в метаболических процессах матрикса.

Рис. 14. Строение митохондрий.

а – выявление в митохондриях активности цитохромоксидазы (метод электронной гистологии). Этот фермент участвует в переносе электронов. Фермент выявляется в кристах и в пространстве между мембранами × 36000.

б – структурные единицы внутренней мембраны митохондрий методом негативного контрастирования на внутренней мембране выявляются многочисленные грибовидные или сферические частицы размером 10 нм (АТФ-сомы) × 250000 (а, б по Ж.К. Роллану и соавт.).

Межмембранное пространство содержит ферменты, необходимые для окислительного фосфорилирования.

Функции:

1.Обеспечение клетки энергий в виде АТФ.

2.Участие в биосинтезе стереоидных гормонов (некоторые звенья биосинтеза этих гормонов протекает в митохондриях). Клетки продуценты стероидных гормонов имеют крупные митохондрии со сложными крупными трубчатыми кристами.

3.Депонирование кальция.

4.Участие в синтезе нуклеиновых кислот.

В некоторых случаях в результате мутаций митохондриальной ДНК возникают так называемых митохондриальные болезни, проявляющиеся широкой и тяжелой симптоматикой.

Лизосомы – это мембранные органеллы, не видимые в световом микроскопе. Были открыты в 1955 году К. де Дювом при помощи электронного микроскопа (рис. 15). Каждая лизосома представляет собой мембранный пузырек диаметром 0,4 – 0,5 мкм, в котором содержится около 50 видов различных гидролитических ферментов в неактивированном состоянии (протезы, липазы, фосфолипазы, нуклеазы, фосфотазы). Молекулы этих ферментов, как всегда, синтезируются на рибосомах зернистой эндоплазматической сети, откуда переносятся транспортными пузырьками в комплекс Гольджи.

Рис.15 Строение лизосом.

а – лизосомы в фагоцитирующей клетке: 1 – ядро; 2 – комплекс Гольджи; 3 – митохондрии; 4 – вторичная лизосома × 30000 (по Ж.К.Роллану).

б– пример лизосомной болезни накопления болезнь накопления гликогена Помпа.

Врезультате недостатка лизосомальной гидролазы в печени не расщепляется гликоген. В результате он накапливается в виде звездчатых структур 1, которые постепенно заполняют лизосомы 2 × 30000.

в – полностью заполненная гликогеном разбухшая лизосома 1 × 40000 (б, в по К. де Дюву).

Различают лизосомы 5 типов:

1.Первичные лизосомы, только что отделившиеся от транс поверхности комплекса Гольджи.

2.Вторичные лизосомы, или фаголизосомы. Это лизосомы, которые соединились с фагосомой – фагоцитированной частицей, окруженной мембранной.

3.Остаточные тельца – это слоистые образования, формирующиеся в том случае, если процесс расщепления фагоцитированных частиц прошел не до конца. Примером остаточных телец могут быть липофусциновые включения, которые появляются в некоторых клетках при их старении, содержат эндогенный пигмент липофусцин.

4.Первичные лизосомы могут сливаться с погибающими и старыми органеллами, которые они разрушают. Такие лизосомы называются аутофагосомами.

5.Мультивезикулярные тельца. Представляют собой крупную вакуоль, в которой, в свою очередь, находятся несколько так называемых внутренних пузырьков.

Внутренние пузырьки, очевидно, образуются путем отпочковывания внутрь от мембраны вакуоль. Внутренние пузырьки могут постепенно растворяться содержащимся в матриксе тельца ферментами.

Функции лизосом:

1.Внутриклеточное пищеварение.

2.Участок в фагоцитозе.

3.Участие в митозе – разрушение ядерной оболочки.

4.Участие во внутриклеточной регенерации.

5.Участие в аутолизе – саморазрушении клетки после ее гибели.

Существует большая группа болезней, называемых лизосомными, или болезнями накопления. Они являются наследственными болезнями, проявляются дефицитом определенного лизосомального пигмента. При этом в цитоплазме клетки накапливаются не переваренные продукты обмена веществ (гликоген, гликолипиды, белки, что ведет к постепенной гибели клеток).

Пероксисомы – это органеллы напоминающие лизосомы, но содержащие ферменты необходимые для синтеза и разрушения эндогенных перекисей – пероксидазу, каталазу и другие, всего до 15. В электронном микроскопе представляют сферические или эллипсоидные пузырьки с умеренно плотной сердцевиной. Образуются пероксисомы путем отделения пузырьков от гладкой эндоплазматической сети. В эти пузырьки затем мигрируют ферменты, которые синтезируются отдельно в цитолизе или в гранулярной эндоплазматической сети.

Функции пероксисом:

1.Являются, наряду с митохондриями, органеллами утилизации кислорода. В результате в них образуется сильный окислитель Н2О2.

2.Расщепление при помощи фермента каталазы избытка перекисей, и таким образом, защита клеток от гибели.

3.Расщепление при помощи синтезируемых в самих пероксисомах перекисей токсических продуктов, имеющих экзогенное происхождение (детоксикация). Такую функцию выполняет, например, пероксисомы печеночных клеток, клеток почек.

4.Участие в метаболизме клетки: ферменты пероксисом катализируют расщепление жирных кислот, участвуют в обмене аминокислот и другие. Существует пероксисомные болезни, связанные с дефектами ферментов пероксисом и характеризующиеся тяжелыми поражениями органов, что ведет к смерти в детском возрасте.

Немембранные органеллы.

Рибосомы. Это органеллы биосинтеза белка. Они состоят из двух рибонуклеопротеидных субъединиц большой и малой. Эти субъединицы могут соединиться вместе, при этом между ними располагается молекула информационной РНК. Есть свободные рибосомы – рибосомы, не связанные с эндоплазматической сетью. Они могут быть одиночными и в виде полисом, когда на одной молекуле и РНК находятся несколько рибосом (рис. 16). Вторая разновидность рибосом – связанные рибосомы, прикрепленные эндоплазматической сетью.

Функция рибосом. Свободные рибосомы и полисомы осуществляют биосинтез белка для собственных потребностей клетки. Связанные на эндоплазматической сетке рибосомы синтезируют белок на «экспорт», для нужд всего организма (например, в секреторных клетках, нейронах и др.).

Рис. 16 Полисома (а) и ее схематическое изображение (б) (по К.Роллану и соавт.).

Микротрубочки. Микротрубочки являются органеллами фибриллярного типа. Они имеют диаметр 24 нм и длину до нескольких мкм. Это прямые длинные полые цилиндры, построенные из 13 периферических нитей или протофиламентов. Каждая нить образована глобулярным белком тубулином, который существует в виде двух субъединиц и (рис. 17.). В каждой нити эти субъединицы располагаются поочередно. Нити в микротрубочке имеют спиральный ход. В стороны от микротрубочек отходят ассоциированные с ними молекулы белков (ассоциированные с микротрубочками протеины). Эти белки стабилизируют микротрубочки, а также связывают их с другими элементами цитоскелета и органеллами.

Микротрубочки являются очень динамичными структурами. Они имеют два конца: (–) и (+) концы. Отрицательный конец является местом деполяризации микротрубочки, тогда как на положительном конце происходит их наращивание за счет новых молекул тубулина.

Функции микротрубочек заключаются в следующем:

1.Выполняет роль цитоскелета.

2.Участвуют в транспорте веществ и органелл в клетке.

3.Участвуют в образовании веретена деления и обеспечивают расхождение хромосом

вмитозе.

4.Входят в состав центриолей, ресничек, жгутиков.

Если клетки обработать колхицином, разрушающим микротрубочки цитоскелета,

то клетки изменяют свою форму, сжимаются, теряют способность к делению.