Лекции по общей гистологии для студентов I курса по специальности «ветеринария».
Лекция № 1.
Тема: Основы цитологии.
План:
1. Значение гистологии и ее задачи.
2. История создания и основные положения клеточной теории.
3. Химический состав клетки.
4. Органоиды и включения.
5. Ядро.
Гистология – наука о строении тканей организма на микроскопическом уровне. Histos в переводе с греческого – ткань, а logos – учение. Развитие этой науки стало возможным с изобретением микроскопа.
Во второй половине XVII века, благодаря усовершенствованию микроскопа и техники изготовления срезов, удалось заглянуть в тонкое строение тканей. Каждое исследование различных органов и тканей животных было открытием. Микроскопирование в биологии используется уже более 300 лет.
С помощью гистологии разрабатываются не только фундаментальные проблемы, но и решаются прикладные задачи, важные для ветеринарии и зоотехнии. Большое влияние на рост, развитие и формирование продуктивных качеств животных оказывает состояние их здоровья. Болезни приводят к морфологическим и функциональным изменениям в клетках, тканях и органах. Познание этих изменений необходимо для установления причины заболевания животных и успешного их лечения. Поэтому гистология тесно связана с патанатомией и широко используется в диагностике заболеваний.
Курс гистологии включает:
Цитологию – учение о структуре и функциях клетки и эмбриологию – учение о формировании и развитии тканей и органов в эмбриональный период (от оплодотворенной яйцеклетки до рождения или вылупления из яйца).
Мы начинаем с цитологии.
Клетка – элементарная структурная единица организма, составляющая основу его жизнедеятельности. Она обладает всеми признаками живого: раздражимостью, возбудимостью, сократимостью, обменом веществ и энергии, способностью к размножению, хранением генетической информации и передачей ее поколениям.
С помощью электронного микроскопа изучена тончайшая структура клеток, а использование гистохимических методов позволило определить функциональное значение структурных единиц.
Клеточная теория:
Термин «клетка» впервые был применен Робертом Гуком в 1665 году, обнаружившем под микроскопом клеточное строение у растений. Но значительно позднее, уже в XIX век была разработана клеточная теория. Клеточное строение растений и животных изучали многие ученые, но они не обратили внимания на общность их структурной организации.
Честь создания клеточной теории принадлежит немецкому ученому Шванну (1838-39 гг.). Анализируя свои наблюдения клеток животных и сопоставляя с аналогичными исследованиями растительных тканей, проводимых Шлейденом, он пришел к выводу, что в основе строения как растительных, таки животных организмов лежат клетки. Важную роль в развитии клеточной теории Шванна имели труды Вирхова и других ученых.
Клеточная теория в ее современном виде включает следующие положения:
1. Клетка – это наименьшая единица живого, из которой строятся органы и ткани.
2. Клетки различных органов различных организмов гомологичны по своему строению, т.е. имеют общий принцип строения: содержат цитоплазму, ядро, основные органеллы.
3. Размножение клеток происходит только путем деления исходной клетки.
4. Клетки – как части целого организма специализированы: имеют определенную структуру, выполняют определенные функции и взаимосвязаны в функциональных системах тканей, органов и системах органов.
К числу неклеточных структур относят симпласты и синцитий. Они возникают либо от слияния клеток, либо в результате деления ядра без последующего разделения цитоплазмы. Примером симпластов являются мышечные волокна, примером синцития – сперматогонии – первичные половые клетки, соединенные перемычками.
Таким образом, многоклеточный организм животного представляет собой сложный ансамбль клеток, объединенных в систему тканей и органов, и связанных между собой межклеточным веществом.
Морфология клетки
Формы и размеры клеток разнообразны и определяются выполняемой функцией. Встречаются клетки округлые или овальные (клетки крови); веретеновидные (гладкая мышечная ткань); плоские, кубические, цилиндрические (эпителий); отросчатые (нервная ткань), что позволяет на расстоянии проводить импульсы.
Размеры клеток колеблются от 5 до 30 мкм; яйцеклетки у млекопитающих достигают 150-200 мкм.
Межклеточное вещество представляет собой продукт жизнедеятельности клеток и состоит из основного аморфного вещества и волокон.
Несмотря на различное строение и функции, все клетки имеют общие признаки и составные части. Компоненты клетки можно представить такой схемой:
КЛЕТКА
цитоплазма ядро плазмолемма
гиалоплазма органеллы включения
мембранные немембранные
Плазмолемма – поверхностный аппарат клетки, осуществляет регуляцию взаимоотношений клетки с окружающей средой и участвует в межклеточных взаимодействиях. Плазмолемма выполняет несколько важных функций:
1. Разграничительную (ограничивает клетку и обеспечивает связь с окружающей средой).
2. Транспортную – осуществляет: а) пассивный перенос путем диффузии и осмоса воды, ионов и низкомолекулярных веществ.
б) активный перенос веществ – ионов Na с затратой энергии.
в) эндоцитоз (фагоцитоз) – твердые вещества; жидкие – пиноцитоз.
3. Рецепторную – в плазмолемме имеются структуры для спецефического узнавания веществ (гормонов, лекарств и др.)
Плазмолемма построена по принципу биологических мембран. Имеет двухслойную липидную основу (билипидный слой), в которую погружены белки. Липиды представлены фосфолипидами и холестерином. Белки к билипидному слою прочно не фиксируются и плавают подобно айсбергам. Белки, пронизывающие два слоя липидов, называются интеральными, доходящие до половины бислоя – полуинтегральными, лежащие на поверхности – поверхностными или периферическими. Интегральные и полуинтегральные белки стабилизируют мембрану (структурные) и формируют транспортные пути. С поверхностными белками связаны цепи полисахаридов, образуя надмембранный слой (гликокаликс). Этот слой участвует в ферментном расщеплении различных соединений и взаимодействует с окружающей средой.
Со стороны цитоплазмы имеется субмембранный комплекс, являющийся опорно-сократительным аппаратом. В этой зоне обнаруживаются многочисленные микрофиламенты и микротрубочки. Все части плазмолеммы взаимосвязаны и работают как единая система.
В некоторых клетках для интенсификации транспортных процессов в определенных участках формируются многочисленные ворсинки, а для перемещения различных веществ (пылинок, микробов) появляются реснички.
Клеточные оболочки формируют межклеточные контакты. Основными формамиконтактов являются:
1. Простой контакт (клетки соприкасаются надмембранными слоями).
2. Плотный (замыкающий контакт), когда внешние слои плазмолеммы двух клеток сливаются в одну общую структуру и изолирует межклеточное пространство от внешней среды, и оно становится непроницаемым для макромолекул и ионов.
Разновидностью плотного контакта являются пальцевидные соединения и десмосомы. В межклеточном пространстве формируется центральная пластинка, которая связана с оболочками контактирующих клеток системой поперечных фибрилл. Со стороны подмембранного слоя десмосомы укрепляются компонентами цистоскелета. В зависимости от протяженности различают точечные и опоясывающие десмосомы.
3. Щелевидные контакты (межклеточное пространство очень узкое и между цитоплазмами клеток, пронизывая плазмолеммы, формируются каналы, по которым осуществляется движение ионов из одной клетки в другую.
На этом основана работа электрических синапсов в нервной ткани.
Такой тип соединения встречается во всех группах тканей.
Цитоплазма
Цитоплазма состоит из основного вещества гиалоплазмы и находящихся в ней структурных компонентов – органелл и включений.
Гиалоплазма представляет собой коллоидную систему и имеет сложный химический состав (белки, нуклеиновые кислоты, аминокислоты, полисахариды и другие компоненты). Она обеспечивает транспортные функции, взаимосвязь всех структур клетки и откладывает запас веществ в виде включений. Из белков (тубулина) формируются микротрубочки, входящие в состав центриолей; базальных телец ресничек.
Органоиды – это структуры, постоянно находящиеся в клетке и выполняющие определенные функции. Их разделяют на мембранные и немембранные. К мембранным относятся: митохондрии, эндоплазматическая сеть, комплекс Гольджи, лизосомы и пероксисомы. К немембранным относятся: рибосомы, цитоскелет клетки (включает микротрубочки, микрофиламенты и промежуточные филаменты) и центриоли. Большинство органоидов общего значения, встречающихся во всех клетках органов. Но в некоторых тканях есть специализированные органоиды. Так в мышцах – миофиламенты, в нервной ткани – нейрофиламенты.
Рассмотрим морфологию и функции отдельных органелл:
Немембранные органоиды:
МИТОХОНДРИИ
(митос – нить; хондр - зерно)
Открыты в конце прошлого столетия. С помощью электронного микроскопа выяснена их структура.
Покрыта двумя мембранами, между которыми находится межмембранное пространство. Наружная мембрана пористая. На внутренней мембране находятся кристы, на которых расположены АТФ-сомы (особые структуры – частицы с ферментами) где происходит синтез АТФ. Внутри находится матрикс, где обнаруживаются нити ДНК, гранулы рибосом, и-РНК, т-РНК и электронноплотные частицы, где располагаются катионы Ca и Mg.
В матриксе находятся ферменты, расщепляющие продукты гликолиза (анаэробные окисления) до СО2 и Н. Ионы водорода поступают в АТФ-сомы и соединяются с кислородом, образуя воду. Освобожденная при этом энергия используется в реакции фосфорилирования с образованием АТФ. АТФ способна распадаться до АДФ и фосфорного остатка, а также энергия, которая используется для осуществления синтетических процессов.
Таким образом, митохондрии связаны с выработкой энергии путем синтеза АТФ, поэтому они считаются энергетическими станциями клеток. Наличие ДНК и рибосом свидетельствует об автономном синтезе некоторых белков. Продолжительность жизни митохондрий в нейронах от 6 до 30 дней. Новообразование митохондрий происходит за счет почкования и образования перетяжек с последующим разделением на две. Количество митохондрий - от 1000 до 3000, а в яйцеклетках до 300.000 (убыль их пополняется за счет деления и почкования).
ЭНДОПЛАЗМАТИЧЕСКАЯ СЕТЬ
Представляет собой систему уплощенных цистерн, трубочек и везикул, создающих в совокупности мембранную сеть цитоплазмы клеток. Если к наружной поверхности прикреплены рибосомы, то сеть гранулярная (шероховатая), без рибосом – агранулярная. Основная функция эндоплазматической сети – накопление, изоляция и транспорт образуемых веществ. В гранулярной сети происходит синтез белков, в агранулярной – синтез и расщепление гликогена, синтез стероидных гормонов (липидов), обезвреживание токсинов, концерогенных веществ и др. В мышечных волокнах и клетках гладкой мышечной ткани эндоплазматическая сеть является депо Са. Образуемые в сети вещества поступают в комплекс Гольджи.
КОМПЛЕКС ГОЛЬДЖИ
Был открыт в 1898 году. Ученые пришли к выводу, что этот органоид избирательно концентрирует вещества, синтезируемые в клетке. Комплекс Гольджи состоит из уплощенных цистерн или мешочков; транспортных пузырьков, приносящих из эндоплазматической сети белковый секрет; вакуолей, конденсирующих секрет, которые отделяются от мешочков и цистерн. Секрет в вакуолях уплотняется, и они превращаются в секреторные гранулы, которые затем выводятся из клетки.
Формируется комплекс Гольджи снизу на формирующей поверхности из фрагментов (транспортных пузырьков) эндоплазматической сети, находящейся под ним. Фрагменты отделяются, соединяются и формируют мешочки или цистерны. В цистернах комплекса Гольджи происходит также синтез гликопротеидов, т.е. модификации белков, путем соединения полисахаридов с белками и формирование лизосом. Участвует в формировании мембран, начатое в эндоплазматической сети.
ЛИЗОСОМЫ
Были открыты в 1955 году. Имеют вид пузырьков, ограниченных мембраной. Обнаружили их по наличию гидролитических ферментов (кислой фосфатазы). Основная их функция – расщепление попавших извне веществ, а также органелл и включений в ходе обновления или при снижении функциональной активности (а также и всей клетки в условиях инволюции органа – например, инволюции матки после родов). Таким образом, лизосомы – это пищеварительная система клетки.
Различают 4 формы лизосом:
1. Первичные - запасающая гранула.
2. Вторичные (фаголизосомы), в которых происходит активация ферментов и лизис веществ.
3. Аутофагосомы - гидролиз внутриклеточных структур.
4. Остаточные тельца, содержимое которых выводится из клетки путем экзоцитоза.
Переваренные вещества поступают (диффундируют) в гиалоплазму и включаются в обменные процессы.
ПЕРОКСИСОМЫ
Это сферические структуры диаметром 0,3-1,5 мкм. Их матрикс может быть аморфным, зернистым и кристаллическим. Они происходят из эндоплазматической сети и напоминают лизосомы, только менее электронноплотны. В них содержится фермент каталаза, разрушающий перекиси, образующиеся при расщеплении липидов, которые токсичны для клетки, нарушая функции мембран.
Немембранные органоиды:
РИБОСОМЫ
Это структуры, которые связаны с синтезом белка. Они образуются в ядрышке и состоят из рибосомного белка, поступающего из цитоплазмы, и рибосомной РНК, синтезируемой в ядрышке. В структуре рибосом различают большую и малую субъединицы, связанные ионами Мg. Рибосомы либо свободно располагаются в цитоплазме либо в виде небольших скоплений (полисом), либо связаны с эндоплазматической сетью.
Свободные рибосомы и полисомы встречаются в молодых клетках и синтезируют белок для роста самой клетки, а рибосомы на эндоплазматической сети синтезируют белок «на экспорт». Для синтеза белка необходимо: 1) аминокислоты (их 20); 2) Инф-РНК (образуется в ядре, на ней существуют тринуклеотиды, которые формируют код; 3) транспортная РНК и 4) ряд ферментов.
ЦИТОСКЕЛЕТ
Долгое время ученые не знали, что поддерживает порядок в клетке и не позволяет сбиться в кучу ее содержимому, что заставляет цитоплазму перемещаться, менять форму, пока не был изобретен электронный микроскоп. Стало ясно, что пространство между ядром и внутренней поверхностью плазмолеммы имеет упорядоченную структуру. Во-первых, оно перегорожено и разбито на отсеки с помощью внутренних мембран и во-вторых, внутриклеточное пространство заполнено различными филаментами – нитевидными белковыми волокнами, составляющими скелет. По диаметру эти волокна разделили на микротрубочки, микрофибриллы и промежуточные филаменты. Оказалось, что микротрубочки – это полые цилиндры, состоящие из белка тубулина; микрофибриллы – длинные фибриллярные структуры, состоящие из белков актина и миозина; а промежуточные – из разных белков (в эпителии – кератин и др.) Микротрубочки и микрофибриллы обеспечивают двигательные процессы в клетке и участвуют в опорной функции. Промежуточные филаменты выполняют только опорную функцию.
В последнее время ученые обнаружили 4-ый компонент цитоскелета – тонкие филаменты, которые обеспечивают связь основных компонентов цитоскелета. Они пронизывают всю цитоплазму, формируя решетки и, возможно, участвуют в передаче сигналов от поверхности клетки к ядру.
Микротрубочки принимают участие в образовании центриолей, представленных в виде двух цилиндров, перпендикулярных друг другу. Цилиндры состоят из 9 триплетов микротрубочек (9 x 3)+0. С центриолями связаны сателлиты, являющиеся центрами сборки веретена деления. Вокруг центриолей радиально расположены тонкие фибриллы, образующие центросферу. Все вместе называются клеточным центром.
При подготовке к делению происходит удвоение центриолей. Две центриоли расходятся, и около каждой формируется по одной новой дочерней. Пары расходятся по полюсам. При этом старая сеть микротрубочек исчезает и сменяется митотическим веретеном, которое также состоит из микротрубочек, но из одинарных неудвоенных (9 x1)+0. Всем этим занимается клеточный центр.
Микротрубочки принимают участие в формировании ресничек и жгутиков. Формула ресничек и аксонемы хвоста сперматозоидов (9 x 2)+2, а базального тельца у основания ресничек (9 x 3)+0. В ресничках и жгутиках кроме тубулина находится денеин. Если нет его или двух центральных трубочек, то реснички и жгутики не двигаются. С этим может быть связано мужское бесплодие и хронический бронхит.
Промежуточные филаменты чаще всего располагаются в тех местах ткани, которые испытывают механическую нагрузку. Благодаря своей прочности они продолжают служить и после гибели клетки (волосы).
ВКЛЮЧЕНИЯ
Непостоянные структуры цитоплазмы. Они могут быть липидами, углеводами, белками, витаминами и использоваться клетками как источники энергии и питательных веществ. Могут выделяться из клетки и использоваться организмом (секреторные включения). Включения представляют собой капельки жира, гликогена, ферменты, пигментные включения.
ЯДРО
Является обязательным компонентом полноценной клетки. Оно обеспечивает двефункции:
1. Хранение и передачу генетической информации.
2. Реализацию информации с обеспечением синтеза белка.
Наследственная информация хранится в виде неизменных структур ДНК. В ядре происходит воспроизведение или редупликация молекул ДНK (удвоение), что дает возможность двум дочерним клеткам при митозе получить одинаковые объемы генетической информации.
На молекулах ДНК происходит транскрипция разных РНК-информационных, транспортных и рибосомных.
В ядре происходит образование субъедениц рибосом путем соединения рибосомных РНК с рибосомными белками, синтезируемыми в цитоплазме и перенесенными в ядро. Клетки без ядра не способны синтезировать белок (например, эритроциты). Нарушение любой функции ядра приводит к гибели клетки.
Форма ядер в большинстве округлая, но есть палочковидная и сегментированная. В ядре различают ядерную оболочку, кариоплазму (ядерный матрикс), хроматин и ядрышко. Ядерная оболочка – кариолемма состоит из двух липопротеидных мембран, между которыми находится перинуклеарное пространство.
В оболочке имеются ядерные поры (поровый комплекс), диаметром 80-90 нм. В области поры мембраны сливаются. Внутри поры имеется три ряда гранул (белковых глобул) по 8 штук. В центре тоже есть гранула и с каждой из 24 гранул она соединена тонкими нитями (фибриллами), образуя сеточку. Через нее проходят микромолекулы из ядра и в ядро. Число пор может варьировать в зависимости от активности ядра.
На внешней ядерной мембране, обращенной к цитоплазме клетки, размещены полирибосомы, и она может переходить в мембраны эндоплазматической сети.
Внутренняя мембрана имеет связь с плотной пластинкой, которая представляет густую сеть белковых фибрилл, соединяющихся с фибриллами кариоплазмы. Пластинка и фибриллярная система выполняют опорную функцию. Плотная пластинка при помощи специальных белков связана с участками хромосом и обеспечивает порядок их расположения в период интерфазы.
Таким образом, ядерная оболочка является барьером, отделяющим содержимое ядра от цитоплазмы, ограничивая свободный доступ в ядро крупных агрегатов и регулируя транспорт микромолекул между ядром и цитоплазмой, а также фиксирует хромосомы в ядре.
Кариоплазма - бесструктурное вещество, содержит различные белки (нуклеопротеиды, гликопротеиды, ферменты и соединения, участвующие в процессе синтеза нуклеиновых кислот, белков и других веществ). Под большим увеличением видны рибонуклепротеидные гранулы. Выявлены продукты белкового обмена, гликолитические ферменты и другие.
Хроматин – плотное, хорошо окрашивающееся вещество. Он представлен совокупностью хромосом. Хромосомы постоянно присутствуют, но видны лишь во время митоза, так как сильно спирализуются и утолщаются. В интерфазном ядре они деспирализуются и не видны. Сохранившиеся конденсированные участки называются гетерохроматином, а деконденсированные – эухроматином, в котором идет активная работа по синтезу веществ. Много эухроматин обычно в молодых клетках.
Хроматин состоит из ДНК (30-40 %), белков (60-70 %) и небольшого количества РНК (т.е. дезоксирибонуклеопротеид). Молекула ДНК представляет собой двойную спираль, с различными азотистыми основаниями Белки представлены гистонами и негистонами. Гистоны (основные) выполняют структурную функцию, обеспечивая укладку ДНК. Негистоны образуют матрикс в интерфазном ядре и регулируют синтез нуклеиновых кислот.
*ч
Ядрышко – тельце округлой формы внутри ядра. Это место образования рибосомных РНК и формирования рибосом. Ядрышковыми организаторами являются участки хромосомы (или ДНК), которые содержат гены, кодирующие синтез рибосомных РНК. Эти участки прилегают к поверхности ядрышка в виде конденсированного хроматина, где синтезируется предшественник РНК. В зоне ядрышка предшественник одевается белком, образуя субъеденицы рибосомы. Выходя в цитоплазму, они заканчивают свое формирование и участвуют в процессе синтеза белка.
В составе ядрышка различают: ядрышковый хроматин, фибриллярные (филаменты РНК) и гранулярные (гранулы РНК-формирующиеся рибосомы) структуры, состоящие из нуклеопротеидов. Фибриллярные и гранулярные компоненты образуют ядрышковую нить (нуклеолонему).
ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ КЛЕТОК
Клетка состоит из органических и неорганических соединений. К неорганическим относятся вода и соли. Вода составляет большую часть массы клетки. В разных тканях содержание воды неодинаково (в костной – 20%, в мышечной – 70%). Значение воды огромно. Она является основным растворителем и сама участвует в обменных процессах.
Минеральные вещества представлены растворами различных солей. Их содержится от 2 до 5%. Больше содержится элементов К, Na, Ca, P, S, Mg, Fe, Cl. Остальные элементы Mn, Co, Cu, Zn, I содержатся в сотых и тысячных долях процента, но очень важны, так как участвуют в важных физиологических процессах и имеют существенное значение в жизнедеятельности организма.
Органические соединения клеток представляют собой белки, углеводы, жиры, нуклеиновые кислоты и др. Углеводы в соединении с белками и липидами входят в состав мембран, нуклеиновых кислот, входят в состав межклеточного вещества соединительной ткани, и в состав БАВ (биологически активные вещества). Углеводы при окислении выделяют энергию, используемую в жизненных процессах. Жиры доставляют организму еще большее количество энергии. Липиды входят в состав мембран.
Белки выполняют многочисленные функции: Входят в состав мембран клеток, обладают каталитическими свойствами (ферменты), используются как источники энергии, обладают защитными свойствами (имунный), являются переносчиками О2 (гемоглобин), образуют структуру, осуществляющую движение клетки (актин, миозин, тубулин).
Нуклеиновые кислоты – чрезвычайно важные соединения. Они отвечают за хранение и передачу наследственной информации и регуляцию синтеза белка.