ЛЕКЦИЯ 1 (1 семестр)
Цитология. Органеллы и включения. Ядро
ЦИТОЛОГИЯ – это учение о строении и жизнедеятельности клетки. Несмотря на внешние отличия, все клетки организма человека и животных имеют общий план строения. Каждая клетка состоит из двух компонентов: цитоплазмы и ядра, отделенных от окружающей среды клеточной оболочкой (плазмолеммой, плазматической мембраной).
Структурные компоненты клетки
Цитоплазма – часть клетки, отделённая от окружающей среды клеточной оболочкой и включающая в себя гиалоплазму (клеточный матрикс) и погруженные в нее органеллы и включения. Цитоплазма контролирует ход многообразных процессов жизнедеятельности клетки, в частности, сбалансированные процессы синтеза (анаболизма) и разрушения (катаболизма).
Органеллы – постоянно присутствующие в цитоплазме структуры, специализированные на выполнении определенных функций в клетке. Они подразделяются на органеллы общего значения и специальные органеллы.
(1) Органеллы общего значения имеются во всех клетках и необходимы для обеспечения их жизнедеятельности. К ним относятся митохондрии, рибосомы, ЭПС, КГ, лизосомы, пероксисомы, клеточный центр, компоненты цитоскелета;
(2) Специальные органеллы имеются лишь в некоторых клетках и обеспечивают выполнение их специализированных функций. К ним относят реснички, жгутики, микроворсинки, миофибриллы, акросому. Образуются в ходе развития клетки как производные органелл общего значения.
В состав многих органелл входит элементарная биологическая мембрана, поэтому органеллы подразделяют также на мембранные и немембранные. К мембранным относятся митохондрии, ЭПС, КГ, лизосомы, пероксисомы, к немембранным – рибосомы, клеточный центр, реснички, микроворсинки, жгутики, компоненты цитоскелета.
Все мембраны в клетках имеют общий план строения, который обобщён в понятии универсальная биологическая мембрана.
Универсальная биологическая мембрана образована двойным слоем молекул фосфолипидов общей толщиной 6 нм. При этом гидрофобные («боятся воды») хвосты молекул фосфолипидов обращены внутрь, навстречу друг другу, а полярные гидрофильные головки обращены наружу мембраны, навстречу воде. Липиды обеспечивают основные физико-химические свойства мембран, в частности, их текучесть при температуре тела. В этот двойной слой липидов встроены белки. Их подразделяют на интегральные (пронизывают весь бислой липидов), полуинтегральные (проникают до половины липидного бислоя), или поверхностные (располагаются на внутренней или наружной поверхности липидного бислоя). При этом белковые молекулы располагаются в липидном бислое мозаично и могут «плавать» в «липидном море» наподобие айсбергов, благодаря текучести мембран. По своей функции эти белки могут быть структурными (поддерживать определённую структуру мембраны), рецепторными (образовывать рецепторы биологически активных веществ), транспортными (осуществляют транспорт веществ через мембрану), ферментными (катализируют определённые химические реакции). Это наиболее признанная в настоящее время жидкостно-мозаичная модель биологической мембраны была предложена в 1972 г. Singer и Nikolson.
Имея общий план строения, разные биологические мембраны клетки различаются по своему химическому составу, организации и свойствам, в зависимости от функций структур, которые они образуют.
Клеточная оболочка (цитолемма)
Цитолемма (плазмолемма) – биологическая мембрана, окружающая клетку снаружи. Это самая толстая (10 нм) и сложно организованная мембрана клетки. В её основе лежит универсальная биологическая мембрана, покрытая снаружи гликокаликсом, а изнутри, со стороны цитоплазмы, подмембранным слоем. Гликокаликс (3-4 нм толщины) представлен наружными, углеводными участками сложных белков – гликопротеинов и гликолипидов, входящих в состав мембраны. Эти углеводные цепочки играют роль рецепторов, обеспечивающих распознавание клеткой соседних клеток и межклеточного вещества и взаимодействие с ними. В этот слой также входят поверхностные и полуинтегральные белки, функциональные участки которых находятся в надмембранной зоне (например, иммуноглобулины). В гликокаликсе находятся рецепторы гистосовместимости, рецепторы многих гормонов и нейромедиаторов. Подмембранный, кортикальный слой образован микротрубочками и сократимыми микрофиламентами, которые являются частью цитоскелета клетки. Подмембранный слой обеспечивает поддержание формы клетки, создание её упругости, обеспечивает изменения клеточной поверхности. За счёт этого клетка участвует в эндо- и экзоцитозе, секреции, движении.
Цитолемма выполняет множество функций:
1) разграничительная (отделяет, отграничивает клетку от окружающей среды и обеспечивает её связь с внешней средой);
2) распознавание данной клеткой других клеток и взаимодействие с ними;
3) распознавание клеткой межклеточного вещества и прикрепление к его элементам (волокнам; базальной мембране);
4) транспорт веществ и частиц в цитоплазму и из неё;
5) взаимодействие с сигнальными молекулами (гормонами, медиаторами, цитокинами), благодаря наличию на поверхности цитолеммы специфических рецепторов к ним.
6) обеспечивает движение клетки (образование псевдоподий) благодаря связи цитолеммы с сократимыми элементами цитоскелета.
Цитолемма может образовывать выпячивания, выросты, а также микроворсинки, которые значительно увеличивают площадь поверхности клетки. Это особенно важно для клеток, участвующих во всасывании.
Цитолемма участвует также в образовании специальных структур – межклеточных соединений, контактов, которые обеспечивают тесное взаимодействие между рядом расположенными клетками. Различают простые и сложные соединения. В простых – цитолеммы клеток сближаются на расстояние 15-20 нм, молекулы их гликокаликса взаимодействуют друг с другом. Иногда выпячивание цитолеммы одной клетки входит в углубление соседней клетки, образуя зубчатые и пальцевидные соединения («по типу замка»).
Сложные межклеточные соединения бывают нескольких видов: запирающие, сцепляющие и коммуникационные. К запирающим соединениям относят плотный контакт или запирающую зону. При этом интегральные белки гликокаликса соседних клеток образуют подобие ячеистой сети по периметру соседних эпителиальных клеток в их апикальных частях. Благодаря этому межклеточные щели запираются, отграничиваются от внешней среды.
К сцепляющим, заякоревающим соединениям относят адгезивный поясок и десмосомы. Десмосомы (пятна сцепления) – парные структуры размером около 0,5 мкм. В них гликопротеиды цитолеммы соседних клеток тесно взаимодействуют, а со стороны клеток в этих участках в цитолемму вплетаются пучки промежуточных филаментов цитоскелета клеток. Адгезивный поясок располагается вокруг апикальных частей клеток однослойного эпителия в виде полосы. В этой зоне интегральные гликопротеиды гликокаликса соседних клеток взаимодействуют между собой, а к ним со стороны цитоплазмы подходят подмембранные белки, включающие пучки промежуточных филаментов.
К коммуникационным соединениям относят щелевидные соединения (нексусы) и синапсы. Нексусы имеют размер 0,5-3 мкм. В них цитолеммы соседних клеток сближаются до 2-3 нм и имеют многочисленные ионные каналы. Через них ионы могут переходить из одной клетки в другую, передавая возбуждение, например, между клетками миокарда. Синапсы характерны для нервной ткани и встречаются между нервными клетками, а также между нервными и эффекторными клетками (мышечными, железистыми). Они имеют синаптическую щель, куда при прохождении нервного импульса из пресинаптической части синапса выбрасывается нейромедиатор.
Органеллы
Это постоянные, обязательные структурные компоненты клетки. Они имеют определённое строение и специализированы на выполнении определённых функций. Органеллы подразделяются на органеллы общего значения и органеллы специального значения. По строению они делятся на мембранные (образованы биологическими мембранами) и немембранные (в их состав мембраны не входят).
Органеллы общего значения имеются во всех клетках и необходимы для обеспечения их жизнедеятельности. К ним относятся эндоплазматическая сеть, комплекс Гольджи, лизосомы, пероксисомы, митохондрии, рибосомы, клеточный центр, компоненты цитоскелета.
Органеллы специального значения имеются лишь в некоторых клетках и обеспечивают выполнение их специализированных функций. К ним относят микроворсинки, мерцательные реснички, жгутики, тонофибриллы, миофибриллы, нейрофибриллы.
Мембранные органеллы.
Эндоплазматическая сеть – трёхмерная замкнутая сеть канальцев, трубочек, цистерн диаметром от 20 до 1000 нм, расположенных в гиалоплазме клетки. Они связаны с цитолеммой и перинуклеарным пространством. В эндоплазматической сети происходит синтез сложных органических соединений и их транспорт в нужные участки клетки, к другим органеллам.
Различают гранулярную (шероховатую) и агранулярную (гладкую) эндоплазматическую сеть.
Гранулярная эндоплазматическая сеть снаружи мембран содержит рибосомы, на которых происходит биосинтез белка на экспорт (предназначенных для выделения из клетки, либо образования интегральных белков цитолеммы). При этом образующиеся на рибосомах полипептидные цепи белка поступают внутрь эндоплазматической сети, где формируется их вторичная и третичная структура и они транспортируются по её каналам, отшнуровываются в виде мелких пузырьков, которые вливаются в цистерны комплекса Гольджи.
Агранулярная эндоплазматическая сеть не имеет на своей поверхности рибосом. В ней происходит синтез сложных липидов (холестерина, стероидные гормоны) и углеводов (гликоген). Кроме того, в ней происходит обезвреживание чужеродных веществ (ксенобиотиков), к которым относятся многие лекарственные вещества, с помощью ферментов семейства цитохрома Р450, а также депонирование ионов Са2+ (например, в мышечных волокнах).
Комплекс Гольджи (пластинчатый комплекс) – совокупность связанных между собой цистерн, мешочков, вакуолей и пузырьков, образованных биологической мембраной. При этом плоские цистерны образуют отопку из 3-30 элементов, выпуклой стороной обращенной к ядру (цис-поверхность), вогнутой – к цитолемме (транс-поверхность), между ними располагаются цистерны медиальной части комплекса Гольджи.
При этом в цис-поверхность (незрелая, формирующаяся поверхность) вливаются пузырьки из эндоплазматической сети а от транс-поверхности (зрелой) отделяются вакуоли со зрелым секретом, предназначенным для экзоцитоза, либо образования эндосом и первичных лизосом.
В комплексе Гольджи происходит:
1) образование сложных комплексов между белками, углеводами и липидами, синтезированными в эндоплазматической сети; фосфорилирование и сульфатирование белка, его частичное расщепление (процессинг);
2) накопление и упаковка секрета в мембраны 3) образование первичных (неактивных) лизосом.
Комплекс Гольджи особенно хорошо развит в секреторных клетках.
Эндосомы – мембранные пузырьки с постепенно закисляющимся содержимым. В них происходит частичное переваривание макромолекул с помощью протеаз, предшествующее лизосомальному гидролизу. При этом оставшиеся продукты затем направляются в лизосомы.
Лизосомы – пузырьки, образованные биологической мембраной и заполненные гидролитическими ферментами. В лизосомах обнаружено более 70 ферментов (протеазы, липазы, нуклеазы и др.), способных расщеплять почти все органические соединения и биополимеры в кислой среде.
Пероксисомы – пузырьки размером 0,1-1,5 мкм, окруженные биологической мембраной. Они заполнены мелкозернистым матриксом, а в центре расположена кристаллическая структура – сердцевина, состоящая из фибрилл и трубочек, где концентрируются ферменты. Пероксисомы отшнуровываются в виде пузырьков от цистерн эндоплазматической сети. Продолжительность их жизни 5-6 дней. Они содержат более 15 ферментов. В них в присутствии кислорода происходит окисление аминокислот и образование перекиси водорода, которая используется для окисления сложных липидов и вредных для клетки веществ.
Митохондрии. Эти органеллы получили своё название благодаря своей форме: под световым микроскопом они имеют вид нитей и зёрен размером от 0.5 до 10 мкм. В клетке находится от 500 до 1000 митохондрий. Эти органеллы образованы двумя биологическими мембранами. Внутренняя мембрана образует складки – кристы, на поверхности которых расположены оксисомы – ферментные комплексы, в которых происходит синтез АТФ.
Митохондрии являются «энергетическими станциями клетки». В них происходит окисление органических соединений в цикле трикарбоновых кислот и тканевое дыхание с образованием углекислого газа и воды. Извлекаемая при этом энергия запасается в макроэргических связях АТФ (окислительное фосфорилирование). Поэтому митохондрий особенно много в клетках, которые для своего функционирования нуждаются в большом количестве энергии.
Митохондрии заполнены мелкозернистым материалом – матриксом, в котором выявляются собственная ДНК, РНК и рибосомы. Поэтому митохондрии способны к собственному биосинтезу части (10%) своих белков. Продолжительность жизни митохондрий составляет 5-10 дней, после чего они подвергаются автофагии с помощью лизосом.
Немембранные органеллы
Рибосомы – рибонуклеопротеидные гранулы размером 25 нм. Состоят из двух субъединиц: малой (10 нм) и большой (15 нм), между которыми при биосинтезе белка (трансляция) располагается нить информационной РНК. При этом малая субъединица связывается с РНК, а большая – катализирует образование полипептидной цепи. Субъединицы рибосом образуются в ядрышках, а затем выходят из ядра в цитоплазму через ядерные поры. Сборка рибосом из их субъединиц происходит перед началом синтеза белка, а по завершению синтеза полипептидной цепочки они опять распадаются. В синтетически активной клетке содержится несколько миллионов рибосом, которые образуют около 5% ее сухой массы. Различают свободные рибосомы (не связаны с мембранами и расположены в гиалоплазме во взвешенном состоянии) и несвободные рибосомы (связанные с мембранами цитоплазм этической сети): Рибосомы могут располагаться поодиночке (в этом случае они функционально неактивны), но чаще связаны в цепочки, которые нанизаны, как бусинки, на нитевидные молекулы информационной РНК (полирибосомы, полисомы). Свободные рибосомы синтезируют белки для собственных нужд клетки, а несвободные – на экспорт.
Клеточный центр (цитоцентр) – состоит из двух расположенных перпендикулярно друг к другу центриолей.
Клеточный центр принимает участие в образовании всех микротрубочек клетки, в частности веретена деления; при митозе центриоли расходятся к полюсам материнской клетки. Кроме того, центриоли принимают участие в образовании ресничек и жгутиков.
Цитоскелет – сложная динамичная трёхмерная сеть микротрубочек, микрофиламентов промежуточных филаментов, которая обеспечивает: 1) поддержание и изменение формы клетки, 2) перемещение компонентов клетки, 3) транспорт веществ в клетку и из неё, 4) подвижность клетки, 5) образование межклеточных соединений.
Микротрубочки имеют толщину 24 нм и длину несколько микрон. Толщина стенки микротрубочки 5 нм, а диаметр просвета соответственно 14 нм. Состоят из 13 протофибрилл (цепочки глобулярного белка тубулина), идущих по спирали. Микротрубочки входят в состав веретена деления и обеспечивают расхождение хромосом во время митоза, поддерживают форму клетки и обеспечивают её подвижность, участвуют в транспорте макромолекул в клетке.
Промежуточные филаменты – белковые нити толщиной 8-11 нм. Они образуют каркас клетки, поддерживая ее форму и упругость, а также обеспечивают упорядоченное расположение органоидов в клетке.
Микрофиламенты - белковые нити толщиной 5-7 нм. Они имеются во всех клетках и расположены в её кортикальном слое (под цитолеммой). Состав образующих их белков в разных клетках различен (актин, миозин, тропомиозин). Они образуют скелет, каркас клетки, её внутриклеточный сократительный аппарат, обеспечивают изменения формы и движение клеток, ток цитоплазмы, эндоцитоз и экзоцитоз.
САМОСТОЯТЕЛЬНО!! Органеллы специального назначения
Помимо структур цитоплазмы, которые можно четко отнести к органеллам или включениям, в ней постоянно имеется огромное количество разнообразных транспортных пузырьков, обеспечивающих перенос веществ между различными компонентами клетки.
Гиалоплазма. Это истинный раствор биополимеров, заполняющий клетку, в котором во взвешенном состоянии (как в суспензии) находятся органеллы и включения, а также ядро клетки.
Ядро является обязательной, важнейшей частью клетки, содержащей её генетический аппарат Оно выполняет следующие функции: 1) хранение, реализацию генетической информации;; 3) воспроизведение и передача генетической информации дочерним клеткам (при делении). Обычно в клетке имеется только одно ядро, но встречаются и многоядерные клетки (образуются вследствие митоза, не сопровождающегося цитотомией). Форма ядра зависит от формы клетки. Так, клетки круглой и кубической формы обычно имеют круглое ядро, клетки плоские – уплощённое, клетки призматической формы – овальное ядро, клетки веретеновидной формы – палочковидное ядро. Встречаются и сегментированные ядра (в лейкоцитах).
Основные компоненты ядра: ядерная оболочка, хромосомы (хроматин), ядрышко, кариоплазма, кариоскелет.
Ядерная оболочка отделяет ядро от цитоплазмы, отграничивает его содержимое и обеспечивает обмен веществ между ядром и цитоплазмой. Ядерная оболочка состоит из двух биологических мембран, между которыми расположено перинуклеарное пространство шириной 15-40 нм. Наружная мембрана ядра покрыта рибосомами и переходит в мембраны гранулярной эндоплазматической сети. К внутренней мембране прилежит слой белковых филаментов (ламина) кариоскелета, через который к ядерной оболочке прикрепляются хромосомы.
В ядерной оболочке имеются отверстия – ядерные поры диаметром 90 нм. Они содержат комплекс пор, которые состоят из 1 центральной и 8 периферических белковых глобул, связанных между собой белковыми нитями, образующими диафрагму толщиной 5 нм. Эти комплексы пор обладают избирательной проницаемостью: через них не могут пройти мелкие ионы, но переносятся длинные нити информационной РНК и субъединицы рибосом.
Хромосомы – комплексы ДНК с белком. В период митоза хромосомы конденсированы и хорошо видны в клетке под обычным световым микроскопом в виде интенсивно окрашенных палочковидных телец. В них очень плотно упакованы длинные нити ДНK с белком.
Подсчитано, что в каждой хромосоме (3-5 мкм длины) упакована нить ДНК длиной несколько сантиметров, а общая длина нитей ДНК в. одной клетке человека более 170 см. Эта плотность упаковки сравнима с укладкой нити длиной 20 км в клубок размером в теннисный мячик.
Ядрышки – плотные, интенсивно окрашенные округлые образования в ядре размером 1-2 мкм. Их может быть несколько. Ядрышки образуются в ядре в области ядрышковых организаторов некоторых хромосом. Там находятся гены, кодирующие рибосомную РНК. Ядрышки состоят из гранулярного, фибриллярного компонентов. Нити ядрышек представляют собой молекулы образовавшейся рибосомной РНК, а гранулы – субъединицы рибосом, которые образуются при связывании нитей РНК с белками, поступающими из цитоплазмы.
Кариоплазма (ядерный сок) - жидкий компонент ядра, истинный раствор биополимеров, в котором во взвешенном состоянии расположены хромосомы и ядрышко. По своим физико-химическим свойствам кариоплазма близка к гиалоплазме.
Жизненный (клеточный) цикл – это весь период существования клетки (от деления до смерти или следующего деления). Клеточный цикл состоит из митотического периода (М) и интерфазы (межмитотического периода). Интерфаза в свою очередь состоит из пресинтетического (G1), синтетического (S) и постсинтетического (G2) периодов. В пресинтетическом (постмитотическом, G1) периоде дочерняя клетка достигает размеров и структуры материнской, для чего в ней происходит биосинтез РНК и белков цитоплазмы и ядра. Кроме того, в ней синтезируются РНК и белки, необходимые для синтеза ДНК в следующем периоде. В Синтетическом (S) периоде происходит удвоение (редупликация) ДНК и, соответственно, удваивается число хромосом (их количество становится тетраплоидным, 4n). В постсинтетическом (премитотическом, G2) периоде клетка готовится к митозу, в ней происходит синтез РНК и белков (тубулинов) веретена деления, накопление энергии, необходимой для митоза.
Деление клеток
Митоз, кариокинез или непрямое деление – универсальный способ деления любых животных клеток. При этом удвоившиеся и конденсированные хромосомы переходят в компактную форму митотических хромосом. Затем образуется веретено деления, которое, обеспечивает разделение и расхождение хромосом к противоположным полюсам клетки. Митоз заканчивается делением тела клетки (цитотомия). Биологическая сущность митоза, заключается в равномерном распределении генетического материала между дочерними клетками. Процесс митоза подразделяется на несколько основных фаз – профаза, метафаза, анафаза и телофаза.
Профаза. ДНК в результате суперспирализации начинает выявляться под микроскопом в ядре клетки в виде палочковидных телец – хромосом. Процессы транскрипции в них прекращаются. Затем происходит исчезновение (дезинтеграция) ядрышек и ядерной оболочки. Центриоли расходятся к полюсам клетки, образуется митотическое веретено (веретено деления).
Метафаза. В этот период заканчивается образование веретена деления, а хромосомы выстраиваются в экваториальной плоскости клетки, образуя метафазную пластинку хромосом (вид сбоку) или материнскую звезду (вид с полюсов клетки). К концу метафазы завершается процесс разделения сестринских хроматид, и они остаются связанными между собой только в области центромера. Метафаза по продолжительности занимает 30% времени всего митоза.
Анафаза. Хромосомы растягиваются к полюсам клетки с помощью микротрубочек веретена деления со скоростью 0,2-0,5 мкм/мин, что связано с деполимеризацией и укорочением микротрубочек и работой белков-транслокаторов. Это самая короткая фаза митоза, занимающая по продолжительности лишь 5-10% от всего времени митоза
Телофаза. Начинается с остановки разошедшихся к полюсам хромосом (ранняя телофаза) и заканчивается созданием новых интерфазных ядер и разделением материнской клетки на две дочерние в результате цитотомии (поздняя телофаза). При этом хромосомы деконденсируются, образуются ядерные оболочки и формируются новые ядрышки.
Плоидность – число наборов хромосом в клетке, обозначаемое буквой n. В половых клетках набор хромосом гаплоидный (1n и 1с), а в соматических клетках набор хромосом обычно диплоидный (2n и 2с). Среди соматических клеток встречаются и полиплоидные, в которых набор хромосом больше: тетраплоидный (4n) и даже октаплоидиый (8n)
Мейоз САМОСТОЯТЕЛЬНО!