ОСНОВЫ ЦИТОЛОГИИ
I. Общие принципы структурно-функциональной организации клетки и её компоненты. Плазмолемма, её структура и функции.
Клетка – элементарная структурная, функциональная и генетическая единица в составе всех живых организмов.
Морфологическая характеристика клетки варьирует в зависимости от её функции. Процесс, в ходе которого клетки приобретают свои структурные и функциональные свойства и особенности (специализация) - клеточная дифференцировка. Молекулярно-генетические основы дифференцировки – синтез специфических и-РНК и на них – специфических белков.
Клетки всех типов характеризуются сходством общей организации и строения важнейших компонентов.
Каждая клетка эукариот состоит из двух основных компонентов: ядра и цитоплазмы, ограниченных клеточной мембраной (плазмолеммой).
Цитоплазма отделена от внешней среды плазматической мембраной и содержит:
• органеллы
• включения, погруженные в
• клеточный матрикс (цитозоль, гиалоплазма).
Органеллы – постоянные компоненты цитоплазмы, имеющие характерную структуру и специализированные на выполнении определенных функций в клетке.
Включения – непостоянные компоненты цитоплазмы, образованные в результате накопления продуктов метаболизма клеток.
ПЛАЗМАТИЧЕСКАЯ МЕМБРАНА (плазмолемма, цитолемма, внешняя клеточная мембрана )
Все клетки эукариотических организмов имеют пограничную мембрану – плазмолемму. Плазмолемма играет роль полупроницаемого селективного барьера, и с одной стороны, отделяет цитоплазму от окружающей клетку среды, а с другой – обеспечивает её связь с этой средой.
Функции плазмолеммы:
• поддержание формы клетки;
• регуляция переноса веществ и частиц в цитоплазму и из неё;
• распознавание данной клеткой других клеток и межклеточного вещества, прикрепление к ним;
• установление межклеточных контактов и передача информации от одной клетки к другой;
• взаимодействие с сигнальными молекулами (гормоны, медиаторы, цитокины) в связи с наличием на поверхности плазмалеммы специфических рецепторов к ним;
• осуществление движения клетки благодаря связи плазмалеммы с сократимыми элементами цитоскелета.
Строение плазмолеммы:
Молекулярное строение плазмолеммы описывается как жидкостно-мозаичная модель: липидный бислой, в который погружены молекулы белков (рис.1.).
Рис.1.
Толщина п лазмолеммы варьирует от 7,5 до 10 нм;
Липидный бислой представлен преимущественно молекулами фосфолипидов состоящими из двух длинных неполярных (гидрофобных) цепей жирных кислот и полярной (гидрофильной) головки. В мембране гидрофобные цепи обращены внутрь бислоя, а гидрофильные головки – кнаружи.
Химический состав плазмолеммы:
· липиды (фосфолипиды, сфинголипиды, холестерин);
· белки;
· олигосахариды, ковалентно связанные с некоторыми из этих липидов и белков (гликопротеины и гликолипиды).
Белки плазмолеммы. Мембранные белки составляют более 50% массы мембран. Они удерживаются в липидном бислое за счет гидрофобных взаимодействий с молекулами липидов.Белки обеспечивают специфические свойства мембраны и играют различную биологическую роль:
• структурные молекулы;
• ферменты;
• переносчики;
• рецепторы.
Мембранные белки подразделяются на 2 группы: интегральные и периферические:
• периферические белки обычно находятся вне липидного бислоя и непрочно связаны с поверхностью мембраны;
• интегральные белки представляют собой белки, либо полностью (собственно интегральные белки), либо частично (полуинтегральные белки) погруженные в липидный бислой. Часть белков целиком пронизывает всю мембрану (трансмембранные белки); они обеспечивают каналы, через которые транспортируется мелкие водорастворимые молекулы и ионы по обе стороны мембраны.
Белки распределены в пределах клеточноймембраны мозаично. Липиды и белки мембран не фиксированы в пределах мембраны, а обладают подвижностью: белки могут перемещаться в плоскости мембран, как бы «плавая» в толще липидного бислоя (как «айсберги в липидном «океане»).
Олигосахариды. Цепочки олигосахаридов, связанные с белковыми частицами (гликопротеины) или с липидами (гликолипиды), могут выступать за пределы наружной поверхности плазмолеммы, и образуют основу гликокаликса, надмембранного слоя, который выявляется под электронным микроскопом в виде рыхлого слоя умеренной электронной плотности.
Углеводные участки придают клетке отрицательный заряд и являются важным компонентом специфических молекул – рецепторов. Рецепторы обеспечивают такие важные процессы в жизнедеятельности клеток, как распознавание других клеток и межклеточного вещества, адгезивные взаимодействия, ответ на действие белковых гормонов, иммунный ответи.т.д.Гликокаликсявляется также местом концентрации многих ферментов, часть которых может образовываться не самой клеткой, а лишь адсорбироваться в слое гликокаликса.
Мембранный транспорт. Плазмолемма – место обмена материала между клеткой и окружающей клетку средой:
Механизмы мембранного транспорта (рис.2):
• пассивная диффузия;
• облегченная диффузия;
• активный транспорт;
• эндоцитоз.
Рис.2.
Пассивный транспорт – это процесс, который не требует затрат энергии, так как перенос мелких водорастворимых молекул (кислород, углекислый газ, вода) и части ионов осуществляется путем диффузии. Такой процесс малоспецифичен, и зависит от градиента концентрации транспортируемой молекулы.
Облегченный транспорт также зависит от градиента концентрации и обеспечивает перенос более крупных гидрофильных молекул, таких как молекулы глюкозы и аминокислот. Этот процесс пассивный, но требует присутствия белков-переносчиков, обладающих специфичностью в отношении транспортируемых молекул.
Активный транспорт - процесс, при котором перенос молекул осуществляется с помощью белков-переносчиков против электрохимического градиента. Для осуществления этого процесса необходимы затраты энергии, которая высвобождается за счет расщепления АТФ. Примером активного транспорта служит натриево-калиевый насос: посредством белка-переносчика Na+-K+-АТФ-азы ионы Na+ выводятся из цитоплазмы, а ионы К+ одновременно переносятся в неё.
Эндоцитоз - процесс транспорта макромолекул из внеклеточного пространства в клетку. При этом внеклеточный материал захватывается в области впячивания (инвагинации) плазмалеммы, края впячивания затем смыкаются, и таким образом формируется эндоцитозный пузырек (эндосома), окруженный мембраной.
Разновидностями эндоцитоза являются (рис.3):
• пиноцитоз,
• фагоцитоз,
• рецепторно-опосредованный эндоцитоз.
Рис.3. 
Пиноцитоз - захват и поглощение клеткой жидкости вместе с растворимыми в ней веществами («клетка пьёт»). В цитоплазме клетки пиноцитозные пузырьки обычно сливаются с первичными лизосомами, и их содержимое подвергается внутриклеточной обработке.
Фагоцитоз - захват и поглощение клеткой плотных частиц (бактерии, простейшие, грибки, поврежденные клетки, некоторые внеклеточные компоненты).
Фагоцитоз обычно сопровождается образованием выпячиваний цитоплазмы (псевдоподии, филоподии), которые охватывают плотный материал. Края цитоплазматических отростков смыкаются, и образуются фагосомы. Фагосомы сливаются с лизосомами, образуя фаголизосомы, где ферменты лизосом переваривают биополимеры до мономеров.
Рецепторно-опосредованный эндоцитоз. Рецепторы ко многим веществам, расположены на клеточной поверхности. Эти рецепторы связываются с лигандами (молекулами поглощаемого вещества с высоким сродством к рецептору).
Рецепторы, перемещаясь, могут скапливаться в особых областях, называемых окаймленными ямками. Вокруг таких ямок и образующихся из них окаймленных пузырьков образуется сетевидная оболочка, состоящая из нескольких полипептидов, главный из которых белок клатрин. Окаймленные эндоцитозные пузырьки переносят комплекс рецептор-лиганд внутрь клетки. В дальнейшем, после поглощения веществ, комплекс рецептор-лиганд расщепляется, и рецепторы возвращаются в плазмолемму. С помощью окаймленных пузырьков транспортируются иммуноглобулины, факторы роста, липопротеины низкой плотности (ЛНП).
Экзоцитоз – процесс обратный эндоцитозу. При этом мембранные экзоцитозные пузырьки, содержащие продукты собственного синтеза или непереваренные, вредные вещества, приближаются к плазмалемме и сливаются с ней своей мембраной, которая встраивается в плазмалемму - содержимое экзоцитозного пузырька выделяется во внеклеточное пространство.
Трансцитоз - процесс, объединяющий эндоцитоз и экзоцитоз. На одной поверхности клетки формируется эндоцитозный пузырёк, который переносится к противоположной поверхности клетки и, становясь экзоцитозным пузырьком, выделяет свое содержимое во внеклеточное пространство. Такой процесс характерен для клеток, выстилающих кровеносные сосуды, - эндотелиоцитов, особенно в капиллярах.
Во время эндоцитоза часть плазмолеммы становится эндоцитозным пузырьком; во время экзоцитоза, напротив, мембрана встраивается в плазмолемму. Это явление называется мембранным конвейером.
II. ЦИТОПЛАЗМА. Органеллы. Включения.
Органеллы – постоянно присутствующие в цитоплазме структуры, имеющие определенное строение и специализированные на выполнении определенных (специфических) функций в клетке.
Органеллы подразделяются на:
• органеллы общего значения
• специальные органеллы.
Органеллы общего значения имеются во всех клетках и необходимы для обеспечения их жизнедеятельности. К ним относятся:
• митохондрии,
• рибосомы
• эндоплазматическая сеть (ЭПС),
• комплекс Гольджи
• лизосомы
• пероксисомы,
• клеточный центр
• компоненты цитоскелета.
• Специальные органеллы содержатся лишь в некоторых специализированных клетках, где они обеспечивают выполнение специальных функций.
К специальным органеллам относят реснички, жгутики, миофибриллы, акросома. Все специальные органеллы образуются при развитии клетки как производные органелл общего значения, так, например, акросома спермия является производным комплекса Гольджи, реснички и жгутики – микротрубочек цитоскелета и т.д
В состав многих органелл входит элементарная биологическая мембрана, поэтому органеллы подразделяются также на
• мембранные и
• немембранные.
Мембранные органеллы: митохондрии, ЭПС, комплекс Гольджи, лизосомы, пероксисомы;
Немембранные органеллы: рибосомы, клеточный центр, компоненты цитоскелета, микроворсинки, реснички, жгутики.
Элементарная биологическая мембрана, входящая в состав клеточных органелл, по своему строению представляет собой бислой липидов со встроенными белками и сходна со строением плазмолеммы, но не идентична ей. Толщина мембран внутриклеточных органелл несколько меньше (6-7,5 нм) в сравнении с плазмолеммой. Мембраны различных органелл существенно различаются по своим функциональным свойствам, благодаря присутствию разных структурных белков; белков, формирующих трансмембранные каналы или насосы, ферментов, рецепторов, а также липидов.
Благодаря мембранам внутри клетки выделяются отделы – компартменты – со своей особой биохимической средой, что позволяет обособить протекание несовместимых процессов внутри клетки.
