Основные положения клеточной теории

Список сокращений

ABA — артериоловенулярные анастомозы

АКТГ — адренокортикотропный гормон

АТФ — аденозинтрифосфат

АТФаза — аденозинтрифосфатаза

БОЕ-Э — бурстобразующая единица эритродитарная

ВИП — вазоактивный интестинальный пептид

ГАМК — гамма-аминомасляная кислота

ДЭС — диффузная эндокринная система

ИЛ — интерлейкин

КОЕ — колониеобразующая единица

КОЕ-Б — колониеобразующая единица базофильная

КОЕ-ГМ — колониеобразующая единица гранулоцитарно-моноцитарная

КОЕ-Пн — колониеобразующая единица гранулоцитарная

КОЕ-ГЭММ — колониеобразующая единица гранулоцитарно-эритроцитарно-моноцитарно-мегакариоцитарная

КОЕ-Эо — колониеобразующая единица эозинофильная

МИФ-клетки— малые интенсивно флюоресцирующие тормозные клетки

ПНФ — предсердный натрийуретический фактор

СДГ — сукцинатдегидрогеназа

СКК — стволовые клетки крови

цАМФ — циклический аденозинмонофосфат

ЩФ — щелочная фосфатаза

ЭПС — эндоплазматическая сеть

APUD — (от англ. - Amine Precursors Uptake and Decarboxylation) - поглощение и декарбоксилирование предшественников аминов

ЛЕКЦИЯ 1

ПРЕДМЕТ И ЗАДАЧИ ГИСТОЛОГИИ, ЦИТОЛОГИИ И ЭМБРИОЛОГИИ. ЦИТОПЛАЗМА КЛЕТКИ. ОРГАНЕЛЛЫ И ВКЛЮЧЕНИЯ. СИМПЛАСТЫ И СИНЦИТИИ

Структура предмета гистологии, цитологии и эмбриологии. Шотология — наука о закономерностях развития, строении и функции тканей и органов. Гистология включает собственно гистологию, цитологию и эмбриологию.

Собственно гистология подразделяется на общую и частную.

Общая гистология изучает ткани, частная — ткани органов.

Цитология изучает закономерности развития, строение и функции клеток.

Общая цитология изучает общие закономерности развития, строение и функции клеток, частная — паренхимные и стромальные клетки конкретных органов.

Эмбриология — наука о развитии зародыша.

Фундаментальными проблемами, решаемыми гистологией, являются:

• Изучение закономерностей цитогенеза, гистогенеза, строения и функции клеток и тканей.

• Изучение закономерностей дифференцировки и регенерации тканей.

• Выяснение роли нервной, эндокринной и иммунной систем в процессе морфогенеза и функции клеток, тканей и органов.

• Изучение возрастных особенностей клеток, тканей и органов.

• Изучение адаптации клеток, тканей и органов к внешним воздействиям.

• Изучение морфогенеза в системе мать—плод.

• Изучение особенностей эмбриогенеза человека.

Прикладные проблемы. Изучение совместимости тканей и органов (переливание крови, трансплантация органов).

УЧЕНИЕ О КЛЕТКЕ. ЦИТОПЛАЗМА

Клетка впервые была открыта английским физиологом Р. Гуком в 1665 году. Гук при помощи сконструированного им примитивного микроскопа увидел в тонком срезе пробкового дерева ячейки. Это и были клетки.

Существенный вклад в клеточную теорию внесли Пуркинье, Броун, Шванн и Вирхов. Так, в 1830 году Пуркинье обнаружил в клетке цитоплазму, в 1833 году Броун увидел в клетке ядро, в 1838 году Шванн пришел к заключению, что клетки различных организмов имеют сходное строение, а в 1858 году Вирхов установил, что новые клетки образуются в результате деления материнской клетки.

Основные положения клеточной теории

1. Клетка — наименьшая единица живого.

2. Клетки всех организмов имеют сходное строение.

3. Новые клетки образуются путем деления материнской клетки.

4. Многоклеточные организмы состоят из клеток, объединенных в ткани и органы, регулируемые нервной, эндокринной и иммунной системами.

Симпласт — многоядерные протоплазматические тяжи (волокна мышц).

Синцитий — соклетие, группа клеток, соединенных цито- плазматическими мостиками.

Клетка — элементарная живая система, состоящая из ядра и цитоплазмы и являющаяся основой развития, строения и функции организма.

Состав цитоплазмы. Цитоплазма включает органеллы, располагающиеся в гиалоплазме.

Гиалоплазма в жидком состоянии — золь, в твердом состоянии — гель.

В состав гиалоплазмы входят раствор минеральных солей, углеводы, белки, аминокислоты, ферменты. Солей калия больше внутри клетки, меньше — снаружи; соли натрия в гиалоплазме образуют изотонический раствор (0,9 %). Поэтому если клетку поместить в дистиллированную воду, то она будет набухать; если же ее поместить в гипертонический раствор натрия или в концентрированный раствор глюкозы, то она будет сморщиваться.

Функции гиалоплазмы. В гиалоплазме происходят анаэробное окисление, самосборка микротубул и микрофиламентов, транспорт субъединиц рибосом и РНК. Гиалоплазма является средой, обеспечивающей жизнедеятельность органелл.

Клеточные мембраны. Клеточные мембраны включают плазмолемму и внутриклеточные мембраны. Все мембраны, в свою очередь, включают 60 % белков, 40 % липидов. Все мембраны обладают избирательной проницаемостью.

Внутриклеточные мембраны включают липиды: 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 10 % углеводов внутриклеточных мембран составляет 6 нм.

Свойства билипидного слоя: обладает способностью к самосборке и к самовосстановлению, обладает текучестью.

Белки мембран состоят из аминокислот. 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 белки погружаются в оба билипидных слоя, полуинтегральные — только в один слой, примембранные — расположены на поверхности билипидного слоя.

Свойства белков мембран заключаются в их способности вращаться вокруг оси, изменять ось вращения и перемещаться благодаря текучести билипидного слоя.

По функции белки делятся на транспортные, ферментные, структурные и рецепторные.

Плазмолемма. Плазмолемма отличается от внутриклеточных мембран большей толщиной — 10 нм (толщина внутриклеточных мембран составляет 6 нм). Толщина плазмолеммы увеличена за счет гликокаликса, состоящего из гликолипидов и гликопротеидов. Кнутри плазмолеммы прилежит субплазмолеммальный слой, состоящий из филаментов, включающих сократительные белки (актин, миозин, тропамиазин, альфа-актинин).

Функции плазмолеммы: 1) транспортная: 2) барьерная (отделяет содержимое клетки от окружающей ее среды); 3) рецепторная.

Транспортная функция. Хорошо известно, что через плазмолемму могут транспортироваться микромолекулы, макромолекулы, микрочастицы и капельки воды. Микромолекулы (ионы, молекулы воды, аминокислоты) могут транспортироваться под влиянием градиента концентрации и против градиента концентрации; при транспортировке против градиента концентрации затрачивается энергия, выделяемая при распаде аденозинтрифосфата (АТФ), — активный транспорт, под влиянием градиента концентрации — пассивный транспорт; для транспортировки натрия и калия имеется специальная Na⁺, К⁺-аденозинтрифосфатаза (АТФаза).

Рецепторная функция. 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, объединяясь, формируют ткани; рецепторы захватывают гормоны, антигены, антитела, эритроциты барана и другие вещества; при захвате гормона активируется аденилатциклаза, под влиянием которой синтезируется сигнальная молекула, т. е. циклический аденозинмонофосфат (цАМФ), которая активирует ферменты клетки. Сигнальной молекулой может быть кальмодулин.

Поглощение клеткой твердых и жидких частиц называется эндоцитозом. Эндоцитоз подразделяется на фагоцитоз и пиноцитоз.

Фагоцитоз — это поглощение макромолекул и макрочастиц. 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. Мембрана фагосомы формируется за счет плазмолеммы, т. е. при фагоцитозе происходит расходование плазмолеммы.

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. При экзоцитозе секреторная гранула или остаточное тельце, окруженные мембраной, приближаются к внутренней поверхности плазмолеммы. Мембрана гранулы и плазмолемма сливаются, разрываются, и содержимое гранулы удаляется из клетки, а ее мембрана входит в состав плазмолеммы, т. е. при экзоцитозе плазмолемма как бы пополняется за счет мембран гранул.

Соединения клеток. Ткани, состоящие из клеток, не распадаются на отдельные клетки, потому что между клетками имеется сеть белков, обладающих адгезивными свойствами; кроме того, между клетками имеются межклеточные контакты (junctio intercellularis). Среди этих контактов различают: простые, плотные, адгезивные пояски, десмосомы, щелевидные, по типу замка и межнейрональные синапсы.

Простые контакты (junctio intercellularis simplex) характеризуются тем, что плазмолеммы соседних клеток приближаются друг к другу на расстояние 15-20 нм, так что между клетками образуются межклеточные щели. Такие контакты обычно характерны для соединительнотканных клеток.

Плотные контакты, или замыкательные пластинки (zonula occludens), характеризуются тем, что цитолеммы клеток плотно прилежат друг к другу, закрывая межклеточные щели; такие контакты характерны для железистой эпителиальной ткани.

Адгезивные пояски (zonula adherens) — парные образования в виде лент, опоясывающие апикальную часть клеток, характерны для однослойных эпителиев. Здесь клетки связаны друг с другом интегральными гликопротеидами, к которым со стороны цитоплазмы той и другой клетки примыкает слой примембранных белков.

Десмосомы (desmosoma) характеризуются тем, что между цитолеммами двух клеток имеются слоистые структуры в пределах 0,5 мкм, а с внутренней поверхности плазмолемм напротив них имеется электронно-плотное вещество, пронизанное тончайшими фибриллами. Эти контакты характерны для клеток покровного эпителия. Их функция — механическая связь между клетками.

Щелевидные контакты (nexus) характеризуются тем, что плазмолеммы смежных клеток приближаются друг к другу на расстояние 2-3 нм; в этом месте, занимающем всего около 1 мкм, имеются ионные канальцы, через которые между клетками происходит обмен ионами и молекулами воды. Такие контакты характерны для клеток гладкой мускулатуры и мышечных клеток сердечной мышцы.

Контакты по типу замка (junctio interdigitalis) характеризуются тем, что цитолемма одной клетки внедряется во впячивание другой клетки. Эти контакты выполняют функдию механической связи между клетками и характерны для клеток эпителиальной ткани.

Межнейроналъные синапсы (synapsis) связывают нервные клетки или их отростки друг с другом и служат для передачи нервного импульса от клетки к клетке в одном направлении (от пресинаптического полюса к постсинаптическому).

Органеллы клетки. Органеллы — постоянные структуры клетки, выполняющие определенные функции. Органеллы классифицируются на: 1) мембранные и немембранные и 2) постоянные и специальные.

К мембранным органеллам относятся эндоплазматическая сеть (гранулярная и гладкая), комплекс Гольджи, лизосомы, пероксисомы, митохондрии).

Гранулярная эндоплазматическая сеть (reticulum endoplasmaticum granulosum) представлена мембранами, сформированными в цистерны, канальцы, везикулы, трубочки, покрытые рибосомами. Выполняет функции: синтез белков, транспортная. Гранулярная эндоплазматическая сеть (ЭПС), представленная параллельно расположенными цистернами, размещающимися в определенном месте, называется эргастоплазмой.

Если в клетке хорошо развита гранулярная ЭПС, то в ней активно синтезируются белки на экспорт, ферментные белки.

Гладкая эндоплазматическая сеть (reticulum endoplasmaticum nongranulosum) представлена канальцами, цистернами, везикулами, окруженными мембранами, лишенными рибосом. Выполняет функции: синтез углеводов, липидов, стероидных гомонов; дезинтоксикация ядовитых веществ, депонирование ионов Са²⁺ в цистернах и транспорт синтезированных веществ.

Комплекс Гольджи (complexus Golgiensis) представлен внутриклеточными мембранами, формирующими цистерны, везикулы, канальцы. Несколько параллельно расположенных цистерн образуют диктиосомы, связанные друг с другом при помощи везикул, канальцев. В железистых клетках комплекс Гольджи располагается над ядром, в нервных клетках — вокруг ядра, в хромаффинных клетках мозгового вещества надпочечников — в виде колпачка около ядра; в некоторых клетках комплекс Гольджи диспергирован.

Функции комплекса Гольджи:

1) сегрегация (отделение от гиалоплазмы синтезированных на ЭПС продуктов). Если в образовавшихся в результате сегрегации везикулах содержится секрет, то эти везикулы называются секреторными гранулами, если лизосомальные ферменты — лизосомами;

2) выделительная;

3) восстановление цитолеммы (при выделении секреторных гранул их мембрана входит в состав плазмолеммы);

4) модификация (присоединение к поступившим из ЭПС продуктам углеводов и других веществ);

5) участие в формировании лизосом (на гранулярной ЭПС синтезируются лизосомальные ферменты, которые при поступлении в комплекс Гольджи накапливаются в латеральных отделах цистерн, затем эти накопления в виде пузырьков отделяются от цистерн и превращаются в лизосомы).

Лизосомы (lysosomae) — везикулы, окруженные внутриклеточной мембраной и содержащие протеолитические ферменты — гидролазы. Маркерным ферментом лизосом является кислая фосфатаза. Лизосомы классифицируются на: 1) первичные; 2) вторичные и 3) третичные — остаточные тельца (corpusculum residuale). Первичные лизосомы образуются при участии гранулярной ЭПС и комплекса Гольджи (см. выше); их диаметр 0,3-0,4 мкм. Вторичные лизосомы образуются при слиянии первичных лизосом с фагосомами (фагоцитированными клеткой частицами). В результате взаимодействия ферментов с фагосомой происходит ее расщепление до мономеров, которые через мембрану лизосом транспортируются в гиалоплазму.

Если первичные лизосомы сливаются с органеллами клетки (рибосомами, митохондриями и др.), то они называются аутофагосомами. Наличие в клетке большого количества аутофагосом является признаком саморазрушения клетки — метаболический стресс, патология клетки, повреждение клетки.

Третичные лизосомы, или остаточные тельца, представляют собой пищеварительные вакуоли, в которых остались продукты, не подвергшиеся разрушению лизосомальными ферментами. Они удаляются из клетки путем экзоцитоза.

Функции лизосом:

1) участие во внутриклеточном пищеварении; наличие в клетке большого количества лизосом является признаком того, что эта клетка выполняет фагоцитарную функцию;

2) предотвращение гибели клетки. Если в клетке мало или нет лизосом, то она погибает от накопления углеводов и липидов.

Пероксисомы (peroxisoma) представляют собой разновидность лизосом. Их диаметр составляет от 0,3 до 1,5 мкм. Ферменты пероксисом окисляют аминокислоты, в результате чего образуется перекись водорода, которая является ядом для клетки и расщепляется при помощи пероксидазы этих органелл. Маркерным ферментом пероксисом является каталаза.

Митохондрии (mitochondrie) имеют округлую, чаще вытянутую форму, их диаметр составляет 0,3, длина — 0,5 мкм и более. Они окружены двойной мембраной. Между мембранами имеется межмембранное пространство. От внутренней мембраны отходят кристы. Между кристами расположен матрикс. В матриксе выявляются тонкие нити (2-3 нм) — митохондриальные ДНК и мелкие гранулы (15-20 нм) — митохондриальные рибосомы.

Функции митохондрий. В митохондриях осуществляется: 1) синтез тринадцати видов митохондриальных белков; 2) образование АТФ из органических веществ и 3) фосфорилирование АДФ, в результате чего образуется АТФ.

К немембранным органеплам относятся рибосомы, клеточный центр и микротубулы. Рибосомы (ribosomae) образуются в ядрышке ядра, состоят из малой и большой субъединиц, имеют размеры 25 Ч 20 Ч 20 нм, включают рибосомные РНК и рибосомные белки. Функция — в рибосомах осуществляется синтез белков. Рибосомы могут либо располагаться на поверхности мембран гранулярной ЭПС, либо свободно располагаться в гиалоплазме, образуя скопления — полисомы. Если в клетке хорошо развита гранулярная ЭПС, то эта клетка относится к дифференцированным и синтезирует белки на «экспорт»; если в клетке слабо развита гранулярная ЭПС и много свободных рибосом и полисом, то эта клетка малодифференцированная и синтезирует белки для внутреннего употребления.

Клеточный центр (centrosoma, cytocentrum), или диплосома, состоит из 2 центриолей. Одна из центриолей называется материнской, другая — дочерней. Дочерняя центриоль располагается перпендикулярно по отношению к материнской. Каждая центриоль диплосомы имеет форму цилиндра шириной около 0,2 и длиной до 0,5 мкм. В состав стенки центриолей входят 9 триплетов микротубул (3x9+0). От микротубул отходят спутники (сателлиты). От диплосомы в разных направлениях идут микротубулы, которые в совокупности образуют центросферу.

Перед делением клетки центриоли клеточного центра расходятся к ее полюсам. В таком случае каждая из центриолей становится материнской. К каждой материнской центриоли пристраивается новая, дочерняя, центриоль. Образование дочерней центриоли индуцируется материнской центриолью. Таким образом, в клетке перед делением имеется 2 клеточных центра.

Функция клеточного центра проявляется в том, что в интерфазной клетке материнская центриоль индуцирует:

1) образование микротубул, формирующих цитоскелет клетки;

2) в конце интерфазы — образование дочерней центриоли. В делящейся клетке материнская центриоль индуцирует образование микротубул веретена деления.

Макротубу лы в делящейся клетке входят в состав веретена деления, в интерфазной клетке образуют цитоскелет, входят в состав ресничек, жгутиков и стенки центриолей. Внешний диаметр микротубул равен 24 нм, внутренний — около 15 нм, толщина стенки 5 нм. В состав микротубул входят белки-тубулины, из которых образуются кольца, накладывающиеся друг на друга. В каждое кольцо входит по 13 субъединиц. Самосборка микротубул происходит в гиалоплазме под влиянием материнской центриоли. При снижении температуры ниже температуры тела самосборка микротрубочек прекращается, а уже образовавшиеся микротубулы начинают распадаться, клетка утрачивает свою обычную форму. Распад микротубул происходит и под влиянием колхицина.

Функции микротубул:

1) являются цитоскелетом, сохраняя определенную форму клетки;

2) участвуют во внутриклеточном движении;

3) участвуют в движении ресничек и жгутиков.

При внутриклеточном движении осуществляется перемещение в гиалоплазме вакуолей, митохондрий и др. Перемещение происходит с участием белков-транслокаторов, которые прикрепляются к транспортируемым структурам, движущимся вдоль микротубул как по рельсам.

Фибриллярные структуры клетки (микрофиламенты, микрофибриллы)

Микрофиламенты (microfilamenti) — нитчатые структуры диаметром около 6 нм, состоят из сократительных белков актина, миозина, тропомиозина, альфа-актинина; располагаются под цитолеммой, образуя примембранный слой. При сокращении микрофиламентов цитолемма втягивается внутрь клетки при фагоцитозе, пиноцитозе и при телофазе во время разделения вновь образующихся клеток. Микрофиламенты участвуют в выбрасывании псевдоподий при амебовидном движении клеток.

Функции микрофиламентов:

1) образуют цитоскелет;

2) участвуют во внутриклеточном движении (перемещении митохондрий, рибосом, вакуолей, втягивании цитолеммы при фагоцитозе);

3) участвуют в амебовидном движении клеток.

Микрофибриллы (microfibrillae) — нитчатые структуры диаметром около 10 нм, состоят из фибриллярных белков. Эти белки в клетках различных тканей неодинаковы. Фибриллярными белками в эпителиальных тканях являются кератины, в фибробластах соединительной ткани — виментин, в клетках гладкой мышечной ткани — десмин.

Функциональное значение микрофибрилл (промежуточных филаментов):

1) образуют скелет клетки;

2) по характеру фибриллярного белка можно определить, из какой ткани развилась опухоль. Например, если в опухоли обнаружен кератин, значит, она образовалась из эпителиальной ткани; если обнаружен виментин — из соединительной ткани, и т. д.

Реснички (cilii) — специальные органеллы движения представляют собой выросты эпителиальных клеток высотой 5-10 мкм, диаметром около 300 нм. В основе ресничек находится аксонема (filamenta axialis), состоящая из 9 пар периферических и 1 пары центральных микротубул (2×9+2), прикрепляющихся к базальному тельцу (видоизмененной центриоли). Аксонема снаружи покрыта цитолеммой.

Функции ресничек: осуществляют движения колебательные, круговые, крючкообразные. Благодаря движению ресничек эпителия дыхательных путей очищается поверхность слизистой оболочки от посторонних частиц и слизи. Однако под воздействием вдыхаемого курильщиками дыма реснички склеиваются, и прекращается удаление микроорганизмов, частиц пыли и т. п. с поверхности слизистой оболочки трахеи и бронхов, в результате чего развивается хронический бронхит.

Жгутики (flagellum) — выросты клеток длиной до 150 мкм. В основе их также лежит аксонема, покрытая цитолеммой и прикрепляющаяся к базальному тельцу. Толщина аксонемы и базального тельца жгутиков и ресничек равна 200 нм. Жгутики содержатся в сперматозоидах.

Функции жгутиков: благодаря колебаниям жгутиков клетки движутся в жидкости.

Микроворсинки — выросты цитоплазмы клеток длиной около 1 мкм, диаметром около 100 нм; покрыты цитолеммой, в их основе имеются пучки микрофиламентов.

Функции микроворсинок:

1) увеличивают поверхность клеток;

2) в кишечном и почечном эпителии осуществляют всасывающую функцию.

Включения цитоплазмы (inclusiones cytoplasmae) — непостоянные компоненты клеток, возникающие и исчезающие в зависимости от клеточного метаболизма.

Классификация включений. Включения делятся на трофические (белковые, углеводные, липидные), секреторные, экскреторные (продукты, подлежащие удалению из клетки и организма), пигментные, которые подразделяются на экзогенные (частицы пыли, каротин, красители) и эндогенные (гемоглобин, миоглобин, липофусцин, гемосидерин, меланин, липохромы, билирубин).

ЛЕКЦИЯ 2

ЯДРО

Ядро (nucleus) имеет различную форму, чаще — округлую, овальную, реже — палочковидную или неправильную. Форма ядра иногда зависит от формы клетки. Так, например, у гладких миоцитов, которые имеют веретеновидную форму, ядро палочковидной формы. Обычно в круглых клетках или кубических эпителиоцитах ядра имеют круглую форму. Например, лимфоциты крови имеют круглую форму и ядра у них обычно круглые. Но часто форма ядра не зависит от формы клетки. Например, в гранулоцитах крови, которые имеют круглую форму, ядро может иметь сегментированную или палочковидную форму. В нейтрофильных гранулоцитах крови женщины ядра могут иметь спутник (сателлит), который представляет собой половой хроматин, имеющий форму барабанной палочки.

Что же такое ядро? Ядро — это система генетической детерминации и регуляции синтеза белка. Что такое детерминация? Детерминация — это предопределение или, проще говоря, программа, по которой развивается клетка.

Таким образом, ядро выполняет 2 функции:

1) хранение и передача наследственной информации дочерним клеткам;

2) регуляция синтеза белка.

Как осуществляется 1-я функция? Хранение наследственной информации обеспечивается тем, что в ДНК хромосом имеются репарационные ферменты, которые восстанавливают хромосомы ядра после их повреждения. Как передается наследственная информация дочерним клеткам? Во время интерфазы к каждой молекуле ДНК пристраивается ее точная копия. Затем эти совершенно одинаковые копии ДНК равномерно распределяются между дочерними клетками при делении материнской клетки. Как же ядро участвует в регуляции синтеза белка? Синтез белка регулируется благодаря тому, что на поверхности ДНК хромосом транскрибируются все виды РНК: информационные, рибосомные и транспортные, которые участвуют в синтезе белка на поверхности гранулярной ЭПС цитоплазмы клеток. В том случае, если увеличивается количество всех этих РНК и рибосом, повышается синтез белка. Если же в ядре вырабатывается малое количество РНК, то синтез белка снижается. Так ядро участвует в регуляции белкового синтеза.

Строение ядра. Ядро включает хроматин (chromatinum), ядрышко (nucleolus), ядерную оболочку (nucleolemma) и ядерный сок (nucleoplasma). Хроматин интерфазного ядра называется так потому, что он способен воспринимать (окрашиваться) основные красители. Что же такое хроматин? Хроматин — это деспирализованные хромосомы, т. е. хромосомы, утратившие свою обычную форму. В том случае, если участок ДНК хромосомы наиболее диспергирован, то в этом месте образуется рыхлый хроматин, называемый эухроматином (euchromatinum), который обладает высокой активностью. В том случае, если участок ДНК хромосом не диспергирован, то он имеет уплотненную структуру. Такой хроматин называется гетерохроматином (heterochromatinum). Гетерохроматин не активен.

Почему же эухроматин активен, а гетерохроматин не активен? Активность эухроматина объясняется тем, что фибриллы ДНК хромосом при этом деспирализованы, т. е. гены, на поверхности которых происходит транскрипция РНК, открыты. Благодаря этому создаются условия для транскрипции РНК. В том случае, если ДНК хромосомы не деспирализована, то гены здесь закрыты, что затрудняет транскрипцию РНК с их поверхности. Следовательно, уменьшается количество РНК и снижается синтез белка. Вот почему гетерохроматин не активен.

Фибриллы ДНК. И в состав митотических хромосом, и в хроматин интерфазного ядра входят нити — примитивные, или элементарные, фибриллы, которые состоят из ДНК в количестве 1 единицы, гистоновых и негистоновых белков, составляющих 1,3 единицы, и РНК, количество которых равно 0,2 единицы. Длина фибрилл может составлять от нескольких сот микрометров до 7 см. Суммарная длина фибрилл всех хромосом ядра человека составляет 170 см. В фибриллах имеются участки независимой репликации хромосом, называемые репликонами; их длина составляет 30 мкм, общее количество в геноме человека — до 50 000.

Гистоновые белки образуют блоки, каждый из которых состоит из 8 молекул. Эти блоки называются нуклеосомами. На нуклеосомы навертывается фибрилла ДНК толщиной 5 нм, толщина нуклеосомы вместе с фибриллой составляет 10 нм. При дальнейшей спирализации этой уже спирализованной фибриллы ее толщина достигает 20 нм. Среди белков хроматина гистоновые белки составляют до 80 %. Их функции: 1) особая укладка ДНК хромосом и 2) регуляция синтеза белка. Регуляция синтеза белка осуществляется через укладку фибрилл ДНК хромосом. Если при укладке фибрилл ДНК имеет место резкая конденсация, то образуется плотный хроматин (гетерохроматин), который, как уже известно, не активен; если при укладке фибрилл они слабо спирализуются, то образуется активный эухроматин. Функция негистоновых белков заключается в том, что они формируют ядерный матрикс.

Количество РНК в составе хроматина составляет 0,2 единицы. Это нити РНК транскрибированные с поверхности генов ДНК. Они называются перихроматиновыми. Имеются РНК в виде гранул. Они могут быть интерхроматиновыми и перихроматиновыми; представляют собой соединение иРНК с белками и называются информосомами.

Ядрышки. Ядрышек в ядре — от 1 до 3. Формируются ядрышки на поверхности ядрышковых организаторов хромосом. Если ядрышковые организаторы сконцентрированы в одном месте, то в ядре будет только одно ядрышко, а если в нескольких местах — несколько ядрышек. В том месте, где находятся ядрышковые организаторы хромосом, имеется несколько сот генов, на поверхности которых транскрибируются рибосомные РНК, из которых затем формируются субъединицы рибосом. Ядрышки состоят из 2 компонентов: 1) фибриллярного, расположенного в центре, и 2) гранулярного, локализованного на поверхности. Фибриллярный компонент — это фибриллы РНК, транскрибированные с поверхности генов ядрышковых организаторов. Гранулярный компонент — это субъединицы рибосом. Субъединицы рибосом образуются в результате комплексирования (соединения) рибосомных белков с фибриллами рибосомных РНК. Рибосомные белки синтезируются на поверхности гранулярной ЭПС цитоплазмы и через ядерные поры поступают в ядро, где соединяются с рРНК. Образовавшиеся субъединицы рибосом через ядерные поры транспортируются в цитоплазму клетки, где объединяются в рибосомы, которые оседают на поверхности гранулярной ЭПС или же образуют скопления в цитоплазме. Такие объединения рибосом в цитоплазме называются полисомами. Таким образом, регуляцию синтеза белка в клетке осуществляет ядрышко, так как на рибосомах, образующихся в ядрышках, происходит синтез белков.

Ядрышки могут исчезать и в норме, и при патологии. Когда ядрышки исчезают в норме? В норме ядрышки исчезают в том случае, когда приходит период деления клетки и начинается спирализация фибрилл ДНК, в том числе и в области ядрышковых организаторов; тогда закрываются гены ядрышковых организаторов, на которых транскрибируются рРНК, прекращается транскрипция рРНК и ядрышко исчезает. Это может быть и в том случае, если на клетку воздействуют какие-то токсические вещества. Перед исчезновением ядрышко расчленяется, т. е. обособляется внутренняя фибриллярная часть от внешней гранулярной части. Затем исчезает гранулярный компонент ядрышка, т. е. субъединицы рибосом, и исчезает фибриллярный компонент, т. е. молекулы рРНК. Таким образом, чем больше размеры ядрышек или больше их количество, тем интенсивнее образуются субъединицы рибосом и повышается синтез белка в клетке.

Ядерная оболочка. Ядерная оболочка (nucleolemma) состоит из 2 мембран: наружной (membrana nuclearis externa) и внутренней (membrana nuclearis interna). Между мембранами имеется пространство (cysterna nucleolemmae).

Наружная ядерная мембрана покрыта рибосомами и тесно связана с ЭПС. Нередко можно видеть, как наружная мембрана продолжается в канальцы гранулярной ЭПС.

Внутренняя ядерная мембрана связана с хроматином и фибриллярным ядерным компонентом. В нуклеолемме имеются ядерные поры (pori nuclearis). В их состав входят поровые комплексы (complexus pori), в составе которых имеются: отверстие поры (annulus pori) диаметром около 90 мкм, гранулы поры (granula pori) и мембрана поры (membrana pori).

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. Гранулы каждого ряда располагаются по периферии порового отверстия. Наружный слой гранул обращен в сторону цитоплазмы, внутренний слой — в сторону кариоплазмы, а третий слой размещен между наружным и внутренним. От гранул отходят фибриллы. Эти фибриллы соединяются с центральной гранулой, образуя мембрану поры (membrana pori).

Функция ядерных пор заключается в том, что через них происходит обмен веществ между кариоплазмой и цитоплазмой клетки. Чем больше пор в нуклеолемме, тем активнее ядро. Если активность ядра снижена, то количество пор уменьшается; если синтетическая активность ядра близка к нулю, то поры в ядре отсутствуют. Например, поры отсутствуют в кариолемме ядра сперматозоида.

При различных неблагоприятных воздействиях в ядре могут наблюдаться патологические изменения: пикноз — коагуляция хроматина ядра, кариорексис — распад ядра на части, может быть отечность перинуклеарного пространства.

КЛЕТОЧНЫЙ ЦИКЛ

Клеточный цикл (cyclus cellularis) — это период от одного до другого деления клетки или же период от деления клетки до ее гибели. Клеточный цикл разделяется на 4 периода.

Первый период — митотический;

2-й— постмитотический, или пресинтетический, он обозначается буквой G1;

3-й — синтетический, он обозначается буквой S;

4-й — постсинтетический, или премитотический, он обозначается буквой G₂,

а митотический период — буквой М.

После митоза наступает очередной период G1. В этот период дочерняя клетка по своей массе в 2 раза меньше материнской клетки. В этой клетке в 2 раза меньше белка, ДНК и хромосом, т. е. в норме хромосом в ней должно быть 2п и ДНК — 2с.

Что же происходит в периоде G1? В это время на поверхности ДНК происходит транскрипция РНК, которые принимают участие в синтезе белков. За счет белков увеличивается масса дочерней клетки. В это время синтезируются предшественники ДНК и ферменты, участвующие в синтезе ДНК и предшественников ДНК. Основные процессы в периоде G1 — синтез белков и рецепторов клетки. Затем наступает период S. В течение этого периода происходит репликация ДНК хромосом. В результате этого к концу периода S содержание ДНК составляет 4с. Но хромосом будет 2п, хотя фактически их тоже будет 4п, но ДНК хромосом в этот период так взаимно переплетены, что каждая сестринская хромосома в материнской хромосоме пока не видна. По мере того как в результате синтеза ДНК увеличивается их количество и повышается транскрипция рибосомных, информационных и транспортных РНК, естественно возрастает и синтез белков. В это время может происходить удвоение центриолей в клетках. Таким образом, клетка из периода S вступает в период G₂. В начале периода G₂ продолжается активный процесс транскрипции различных РНК и процесс синтеза белков, главным образом белков-тубулинов, которые необходимы для веретена деления. Может происходить удвоение центриолей. В митохондриях интенсивно синтезируется АТФ, которая является источником энергии, а энергия необходима для митотического деления клетки. После периода G₂ клетка вступает в митотический период.

Некоторые клетки могут выходить из клеточного цикла. Выход клетки из клеточного цикла обозначается буквой G0. Клетка, вошедшая в этот период, утрачивает способность к митозу. Причем одни клетки утрачивают способность к митозу временно, другие — постоянно.

В том случае, если клетка временно утрачивает способность к митотическому делению, она подвергается начальной дифференцировке. При этом дифференцированная клетка специализируется для выполнения определенной функции. После начальной дифференцировки эта клетка способна возвратиться в клеточный цикл и вступить в период Gj и после прохождения периода S и периода G₂ подвергнуться митотическому делению.

Где в организме находятся клетки в периоде G₀? Такие клетки находятся в печени. Но в случае, если печень повреждена или часть ее удалена оперативным путем, тогда все клетки, подвергшиеся начальной дифференцировке, возвращаются в клеточный цикл, и за счет их деления происходит быстрое восстановление паренхимных клеток печени.

Стволовые клетки также находятся в периоде G₀, но, когда стволовая клетка начинает делиться, она проходит все периоды интерфазы: G1, S, G₂.

Те клетки, которые окончательно утрачивают способность к митотическому делению, подвергаются сначала начальной дифференцировке и выполняют определенные функции, а затем окончательной дифференцировке. При окончательной дифференцировке клетка не может возвратиться в клеточный цикл и в конечном итоге погибает. Где в организме находятся такие клетки? Во-первых, это клетки крови. Гранулоциты крови, подвергшиеся дифференцировке, функционируют в течение 8 суток, а затем погибают. Эритроциты крови функционируют в течение 120 суток, потом также погибают (в селезенке). Во-вторых, это клетки эпидермиса кожи. Клетки эпидермиса подвергаются сначала начальной, потом окончательной дифференцировке, в результате которой они превращаются в роговые чешуйки, которые затем слущиваются с поверхности эпидермиса. В эпидермисе кожи клетки могут находиться в периоде G₀, периоде G1, периоде G₂и в периоде S.

Ткани с часто делящимися клетками поражаются сильнее тканей с редко делящимися клетками, потому что ряд химических и физических факторов разрушают микротубулы веретена деления.

МИТОЗ

Митоз принципиально отличается от прямого деления или амитоза тем, что во время митоза происходит равномерное распределение хромосомного материала между дочерними клетками. Митоз делится на 4 фазы. 1-я фаза называется профазой, 2-я — метафазой, 3-я — анафазой, 4-я — телофазой.

Если в клетке имеется половинный (гаплоидный) набор хромосом, составляющий 23 хромосомы (половые клетки), то такой набор обозначается символом In хромосом и 1с ДНК, если диплоидный — 2п хромосом и 2с ДНК (соматические клетки сразу после митотического деления), анеуплоидный набор хромосом — в аномальных клетках.

Профаза. Профаза делится на раннюю и позднюю. Во время ранней профазы происходит спирализация хромосом, и они становятся видны в виде тонких нитей и образуют плотный клубок, т. е. образуется фигура плотного клубка. При наступлении поздней профазы хромосомы еще больше спирализуются, в результате чего закрываются гены ядрышковых организаторов хромосом. Поэтому прекращаются транскрипция рРНК и образование субъединиц хромосом, и ядрышко исчезает. Одновременно с этим происходит фрагментация ядерной оболочки. Фрагменты ядерной оболочки свертываются в небольшие вакуоли. В цитоплазме уменьшается количество гранулярной ЭПС. Цистерны гранулярной ЭПС фрагментируются на более мелкие структуры. Количество рибосом на поверхности мембран ЭПС резко уменьшается. Это приводит к уменьшению синтеза белков на 75 %. К этому моменту происходит удвоение клеточного центра. Образовавшиеся 2 клеточных центра начинают расходиться к полюсам. Каждый из вновь образовавшихся клеточных центров состоит из 2 центриолей: материнской и дочерней.

С участием клеточных центров начинает формироваться веретено деления, которое состоит из микротубул. Хромосомы продолжают спирализоваться, и в результате образуется рыхлый клубок хромосом, расположенный в цитоплазме. Таким образом, поздняя профаза характеризуется рыхлым клубком хромосом.

Метафаза. Во время метафазы становятся видимыми хроматиды материнских хромосом. Материнские хромосомы выстраиваются в плоскости экватора. Если смотреть на эти хромосомы со стороны экватора клетки, то они воспринимаются как экваториальная пластинка (lamina equatorialis). В том случае, если смотреть на эту же пластинку со стороны полюса, то она воспринимается как материнская звезда (monastr). Во время метафазы завершается формирование веретена деления. В веретене деления видны 2 разновидности микротубул. Одни микротубулы формируются от клеточного центра, т. е. от центриоли, и называются центриолярными микротубулами (microtubuli cenriolaris). Другие микротубулы начинают формироваться от кинетохор хромосом. Что такое кинетохоры? В области первичных перетяжек хромосом имеются так называемые кинетохоры. Эти кинетохоры обладают способностью индуцировать самосборку микротубул. Вот отсюда и начинаются микротубулы, которые растут в сторону клеточных центров. Таким образом, концы кинетохорных микротубул заходят между концами центрио- лярных микротубул.

Анафаза. Во время анафазы происходит одновременное отделение дочерних хромосом (хроматид), которые начинают двигаться одни к одному, другие к другому полюсу. При этом появляется двойная звезда, т. е. 2 дочерние звезды (diastr). Движение звезд осуществляется благодаря веретену деления и тому, что сами полюса клетки несколько удаляются друг от друга.

Механизм, движения дочерних звезд. Это движение обеспечивается тем, что концы кинетохорных микротубул скользят вдоль концов центриолярных микротубул и тянут хроматиды дочерних звезд в сторону полюсов.

Телофаза. Во время телофазы происходит остановка движения дочерних звезд и начинают формироваться ядра. Хромосомы подвергаются деспирализации, вокруг хромосом начинает формироваться ядерная оболочка (нуклеолемма). Поскольку деспирализации подвергаются фибриллы ДНК хромосом, постольку начинается транскрипция

РНК на открывшихся генах. Так как происходит деспирализация фибрилл ДНК хромосом, в области ядрышковых организаторов начинают транскрибироваться рРНК в виде тонких нитей, т. е. формируется фибриллярный аппарат ядрышка. Затем к фибриллам рРНК транспортируются ри- босомные белки, которые комплексируются с рРНК, в результате чего формируются субъединицы рибосом, т. е. образуется гранулярный компонент ядрышка. Это происходит уже в поздней телофазе. Цитотомия, т. е. образование перетяжки. При образовании перетяжки по экватору происходит впячивание цитолеммы. Механизм впячивания следующий. По экватору располагаются тонофиламенты, состоящие из сократительных белков. Вот эти тонофиламенты и втягивают цитолемму. Затем происходит отделение цитолеммы одной дочерней клетки от другой такой же дочерней клетки. Так, в результате митоза, формируются новые дочерние клетки. Дочерние клетки в 2 раза меньше по массе в сравнении с материнской. В них также меньше количество ДНК — соответствует 2с, и вдвое меньше количество хромосом — соответствует 2п. Так, митотическим делением, заканчивается клеточный цикл.

Биологическое значение митоза заключается в том, что за счет деления происходит рост организма, физиологическая и репаративная регенерация клеток, тканей и органов.