ЦИТОЛОГИЯ И ГИСТОЛОГИЯ

Цитология и гистология

липидный бислой представляет естественную преграду для проникновения полярных молекул.

Мембранный бислой обладает относительно малой микровязкостью. Другими словами, мембраны рыхло упакованы, что позволяет отдельным компонентам проявлять высокую подвижность в латеральном направлении.

Наружные мембраны клеток отличаются от внутренних по липидному составу и обладают специфическим набором ферментов и рецепторов.

Функции биологических мембран. Как отмечалось, клеточные мембраны отграничивают содержимое клетки (или клеточной органеллы) от окружающей среды. Благодаря наличию специальных рецепторов они воспринимают сигналы из внешней среды (например, молекулы гормонов,

называемые первичными мессенджерами, или посредниками), в ответ на которые образуются вторичные мессенджеры, высвобождающиеся внутрь клетки. Так осуществляется преобразование сигналов, изменяющих клеточный метаболизм в соответствии с изменяющимися условиями среды.

Мембранные рецепторы выполняют функции узнавания (иммунокомпетентная система), адгезии (обеспечение межклеточных контактов, формирование тканей), регуляции активности ионных каналов (электрическая возбудимость, создание мембранного потенциала).

Транспортная функция является одной из важных функций клеточных мембран. Мембрана создает существенные ограничения для проникновения различных веществ, однако она не является полностью непроницаемой: небольшие нейтральные молекулы могут проникать через бислой в области структурных дефектов. Этот процесс осуществляется по градиенту концентрации переносимого вещества - из области, где его содержание высоко, в область с более низким содержанием. Такой процесс называется простой диффузией, он осуществляется неизбирательно и с низкой скоростью.

При облегченной диффузии вещества также переносятся в направлении их концентрационного градиента, но с использованием специальных структур - переносчиков или каналов, увеличивающих скорость и специфичность переноса.

Облегченная диффузия, осуществляемая с помощью каналов, не обладает высокой специфичностью (специфичность определяется лишь размерами канала), но протекает с большей скоростью, а процесс переноса не достигает насыщения в широком диапазоне концентраций переносимого вещества. Функционирование каналов в меньшей степени зависит от фазового состояния

Цитология и гистология

мембраны, чем функционирование переносчиков. Все эти примеры относятся к пассивному транспорту через мембрану.

Активный транспорт веществ осуществляется такими же механизмами, но протекает против концентрационного градиента и для своего осуществления должен быть сопряжен с энергодающим процессом. Основным источником энергии для активного транспорта является АТФ. Поэтому, как правило, эти системы представляют собой АТФазы.

Наконец, в клетках широко представлен вторично-активный транспорт, в процессе которого градиент одного вещества используется для транспорта другого. С помощью вторично-активного транспорта клетки аккумулируют сахара, аминокислоты и выводят некоторые продукты метаболизма, используя градиент Na+, создаваемый в ходе работы Na+/К+- АТФазы.

3. Особенности строения клеток прокариот и эукариот

Среди живых организмов встречаются два типа организации клеток. К наиболее простому типу строения можно отнести клетки бактерий и синезеленых водорослей, к более высокоорганизованному – клетки всех остальных живых существ, начиная от низших растений и кончая человеком.

Принято называть клетки бактерий и сине-зеленых водорослей прокариотическими (доядерными клетками), а клетки всех остальных представителей живого – эукариотическими (собственно ядерными), потому что у последних обязательной структурой служит клеточное ядро, отделенное от цитоплазмы ядерной оболочкой.

Содержимое прокариотической клетки одето плазматической мембраной, играющей роль активного барьера между собственно цитоплазмой клетки и внешней средой. Обычно снаружи от плазматической мембраны расположена клеточная стенка или оболочка – продукт клеточной активности. У прокариотических клеток нет морфологически выраженного ядра, но присутствует в виде так называемого нуклеоида зона, заполненная ДНК. В основном веществе (или матриксе) цитоплазмы прокариотических клеток располагаются многочисленные рибосомы, цитоплазматические же мембраны обычно выражены не так сильно, как у эукариотических клеток, хотя некоторые виды бактерий (например, фототрофные пурпурные бактерии) богаты внутриклеточными мембранными системами. Очень сильно цитоплазматические мембраны развиты у сине-зеленых водорослей. Обычно все внутриклеточные мембранные системы прокариот развиваются за счет

Цитология и гистология

плазматической мембраны.

Но не только присутствие морфологически выраженного ядра является отличительным признаком эукариотических клеток. У клеток высшего типа (эукариотических) кроме ядра в цитоплазме существует целый набор специальных обязательных структур, органелл, выполняющих отдельные специфические функции. К числу органелл относят мембранные структуры: систему эндоплазматической сети (ретикулума), аппарат Гольджи, лизосомы, митохондрии, пластиды (для клеток растений). Кроме того, для эукариотических клеток характерно наличие мембранных структур, таких как микротрубочки, микрофиламенты,центриоли (для клеток животных) и др. Эукариотические клетки обычно намного крупнее прокариотических. Так, палочковидные бактерии имеют длину до 5 мкм, а толщину около 1 мкм, в то время как эукариотические клетки в поперечнике могут достигать десятков мкм.

Несмотря на четкие морфологические отличия, и прокариотические и эукариотические клетки имеют много общего, что и позволяет отнести их к одной, клеточной, системе организации живого. И те и другие одеты плазматической мембраной, обладающей сходной функцией активного переноса веществ из клетки и внутрь ее; синтез белка у них происходит на рибосомах; сходны и другие процессы, такие, как синтез РНК и репликация ДНК, похожи и биоэнергетические процессы. Иначе говоря, клетка – самоподдерживающаяся и самовоспроизводящаяся система биополимеров. Это определение дает описание основных свойств «живого» – воспроизведение подобного себе из неподобного себе.

У многоклеточных организмов часть клеток утрачивает свойство размножаться, но они остаются клетками до тех пор, пока способны вести синтетические процессы, регулировать транспорт веществ межу клеткой и средой, использовать для этих процессов энергию. Есть примеры безъядерных клеток (эритроциты и тромбоциты млекопитающих, некоторые мышечные клетки моллюсков), это скорее не собственно клетки, а их остатки – одетые мембраной участки цитоплазмы с ограниченными функциональными потенциями.

4. Вирусы как неклеточная форма жизни

Подавляющее большинство ныне живущих на Земле организмов состоит из клеток, и лишь вирусы не имеют клеточного строения.

Цитология и гистология

По этому важнейшему признаку все живое в настоящее время делится учеными на две империи:

-доклеточные (вирусы и фаги),

-клеточные (все остальные организмы: бактерии и близкие к ним группы, грибы, зеленые растения, животные и человек).

Вирусы - мельчайшие организмы, их размеры колеблются от 12 до 500 нанометров. Мелкие вирусы равны крупным молекулам белка. Вирусы - резко выраженные паразиты клеток.

Важнейшими отличительными особенностями вирусов являются следующие:

1. Они содержат в своем составе только один из типов нуклеиновых кислот: либо рибонуклеиновую кислоту (РНК), либо дезоксирибонуклеиновую (ДНК), - а все клеточные организмы, в том числе и самые примитивные бактерии, содержат и ДНК, и РНК одновременно.

2.Не обладают собственным обменом веществ, имеют очень ограниченное число ферментов. Для размножения используют обмен веществ клетки-хозяина, ее ферменты и энергию.

3.Могут существовать только как внутриклеточные паразиты и не размножаются вне клеток тех организмов, в которых паразитируют.

Наиболее примитивные вирусы состоят из молекулы РНК (либо ДНК), окруженной снаружи белковыми молекулами, создающими оболочку вируса. Некоторые вирусы имеют еще одну - внешнюю, или вторичную, оболочку; более сложные вирусы содержат ряд ферментов.

Нуклеиновая кислота (НК) является носительницей наследственных свойств вируса. Белки внутренней и внешней оболочек служат для ее защиты.

Так как вирусы не обладают собственным обменом веществ, вне клетки они существуют в виде "неживых" частиц. В этом случае можно сказать, что вирусы представляют собой инертные кристаллы. При попадании в клетку они вновь "оживают".

При размножении для создания компонентов своих частиц вирусы используют питательные вещества и энергетико-метаболические системы инфицированных ими клеток. После проникновения в клетку вирус распадается на составляющие его части - НК и белки оболочки. С этого момента биосинтетическими процессами клетки-хозяина начинает управлять генетическая информация, закодированная в нуклеиновой кислоте вируса.

В клетке-хозяине осуществляется раздельный синтез оболочки и НК вируса. В дальнейшем они объединяются и образуют новый вирион (полностью сформированный зрелый вирус). Эта особенность была подмечена

Цитология и гистология

учеными, которые даже проводили следующий эксперимент. Они разрушали вирус табачной мозаики на две его составные части - НК и белок. Затем смешивали их и получали жизнеспособный исходный вирус со всеми его биологическими свойствами. Клетки же, как мы знаем, размножаются делением. Расчленение клетки на составляющие ее части (ядро, оболочку, цитоплазму, митохондрии, рибосомы) и последующее смешивание их не приведет к подобному эффекту - клетку восстановить не удастся.

Науке известны вирусы бактерий, растений, насекомых, животных и человека. Всего их более 1000. Связанные с размножением вируса процессы чаще всего, но не всегда, повреждают и уничтожают клетку-хозяина. Размножение вирусов, сопряженное с разрушением клеток, ведет к возникновению болезненных состояний в организме.

Вирусы вызывают многие заболевания человека: корь, свинку, грипп, полиомиелит, бешенство, оспу, желтую лихорадку, трахому, энцефалит, некоторые онкологические (опухолевые) болезни, СПИД.

Ученые установили, что в организме человека живет много вирусов, но проявляют они себя не всегда. Воздействиям болезнетворного вируса подвержен лишь ослабленный организм.

Пути заражения вирусами самые различные: через кожу при укусах насекомых и клещей; через слюну, слизь и другие выделения больного; через воздух; с пищей; половым путем и другие.

У животных вирусы вызывают ящур, чуму, бешенство; у насекомых - полиэдроз, грануломатоз; у растений - мозаику или иные изменения окраски листьев либо цветков, курчавость листьев и другие изменения формы, карликовость; наконец, у бактерий - их распад.

Присутствие в клетке одного вируса часто надежно защищает ее от губительного действия другого. Это явление было названо учеными интерференцией вирусов. Связано оно с выработкой особого белка - интерферона, который в клетках приводит в действие защитный механизм, способный отличать вирусное от невирусного и вирусное избирательно подавлять. Интерферон подавляет размножение в клетках большинства вирусов (если не всех). Вырабатываемый в качестве лечебного препарата интерферон применяется сейчас для лечения и профилактики уже многих вирусных заболеваний.

Все вирусы подразделяют на две большие группы: ДНК-содержащие вирусы (дезоксивирусы) и РНК-содержащие вирусы (рибовирусы). Затем каждую из этих групп подразделяют на вирусы с двухнитчатой и однонитчатой нуклеиновыми кислотами. Следующий критерий - тип

Цитология и гистология

симметрии вирионов (зависит от способа укладки капсомеров), наличие или отсутствие внешних оболочек и т.п.

Ниже в таблице 1 представлена современная классификация вирусов и в качестве примера приведены наиболее известные вирусы.

Таблица 1 – Классификация вирусов

КЛАССИФИКАЦИЯ ВИРУСОВ

Приведенная таблица 1 имеет некоторое сходство с таблицей Менделеева. В ней тоже есть незаполненные места. Так, например, до сих пор неизвестны дезоксивирусы со свойствами 2.2 (однонитчатая ДНК, спиральный тип симметрии) или рибовирусы со свойствами 1.2 (РНК двухнитчатая, смешанный тип симметрии). Может быть, что таких вирусов и нет в природе,

Цитология и гистология

а может, их еще не открыли. Совсем недавно рибовирусы со свойствами 1.1.1 не были известны, но затем оказалось, что к ним относятся реовирусы и сходные с ними вирусы раневых опухолей растений. То же самое относится и к дезоксивирусам со свойствами 2.1.1.

Ближайшие годы покажут, реализовала ли природа все возможные схемы строения вирусов, или некоторые из них оказались нежизненными и потому нереализованными.

ТЕМА 3 ЦИТОПЛАЗМА

1.Химический состав и физические свойства протопласта.

2.Строение плазмолеммы.

3.Строение межклеточных контактов.

4.Состав гиалоплазмы.

1.Химический состав и физические свойства протопласта

Протопласт – внутренне содержимое клетки, заключенное между двумя пограничными цитоплазматическими мембранами: наружной - плазмалеммой и внутренней – тонопластом – оболочкой вакуоли. Десятки и сотни разнообразных веществ обнаружены в составе протопласта. Их условно делят на конституционные, составляющие живую материю и участвующие в обмене веществ (метаболизме). Запасные (временно выключенные из обмена) и отбросы (конечные его продукты). Основные конституционные органические вещества – белки, жиры (липиды и липоиды), нуклеиновые кислоты и углеводы.

Белки – полимерные вещества, мономеры которых представлены аминокислотами. Они составляют до 50% органических веществ клетки и играют в ней решающую структурную и функциональную роли. Белки входят в состав всех клеточных органелл; в качестве ферментов регулируют в клетке жизненные процессы, связанные с синтезом и распадом веществ; обеспечивают сократительные и транспортные функции; откладываются в запас в виде белковых (алейроновых зерен) и в определенные периоды жизни клетки становятся источниками энергии. Белки делят на простые (протеины) и сложные – протеиды). Последние образуются при взаимодействии простых

Цитология и гистология

белков с другими веществами: с липидами – липопротеиды, с углеводами - гликопротеиды, с нуклеиновыми кислотами – нуклеопротеиды.

Нуклеиновые кислоты – ДНК и РНК – присутствуют в клетке в очень малом количестве – 1-2%, но представляют важнейший компонент протопласта. Они хранят и передают информацию о синтезе белков и других веществ. Основное количество ДНК сосредоточено в ядре; есть собственные молекулы ДНК в митохондриях и пластидах. РНК входит в состав ядрышка, рибосом. В свободном виде транспортная и информационная РНК находятся в цитоплазме.

Липиды в клетке представлены многими соединениями, которые нерастворимы в воде, но растворяются в органических растворителях. Протопласт клетки содержит простые (жирные масла) и сложные (липоиды, или жироподобные вещества) липиды. Наряду с белками липиды образуют биологические мембраны, являясь, соответственно, конституционными веществами. Липоидами представлены биологически активные вещества (фосфо- и гликолипоиды) и некоторые пигменты (каротиноиды). В семенах многих растений липиды, как наиболее энергоемкие вещества, откладываются в запас и являются эргастическими веществами.

Углеводы встречаются в протопласте в виде простых растворимых в воде сахаров (глюкозы, фруктозы, сахарозы) и сложных нерастворимых полисахаридов (целлюлозы и крахмала). Они являются источником энергии для процессов обмена веществ. Дезоксирибоза и рибоза входят в состав ДНК и РНК. Другие простые сахара образуют гликозиды, а полисахара - биологически активные гликопротеиды.

Каждая клетка сама синтезирует необходимые для нее белки, жиры, нуклеиновые кислоты и другие сложные вещества.

Важнейшие элементы протопласта – АТФ и АДФ. В клетке всегда присутствует АТФ. Хотя эта кислота содержится в протопласте в ничтожных количествах (сотые доли процента), она представляет собой важнейший переносчик энергии в клетке. Синтезируясь в митохондриях, АТФ перемещается в те части клетки, где идут интенсивные процессы обмена веществ. При потере одного фосфорного остатка и преобразовании в АДФ разрывается макроэргическая связь и выделяется большое количество энергии. Она-то и расходуется на процессы жизнедеятельности клетки, прежде всего, на реакции синтеза биологических макромолекул и транспорт веществ.

Клетка содержит большое количество воды – до 90%. Вода необходима для всех процессов жизнедеятельности клетки, поскольку все реакции метаболизма происходят лишь в водных растворах.

Цитология и гистология

Неорганические вещества находятся в протопласте в виде ионов минеральных соединений. Они обеспечивают осмотическое давление, необходимое для поступления воды в клетку. Ионы некоторых солей активизируют ферменты. Кроме широко распространенных элементов (углерод, водород, кислород, азот, калий, кальций, магний, сера, железо, натрий, хлор), в клетках часто встречаются микроэлементы – литий, барий, медь, цинк, кремний, фтор, хром, йод, серебро).

По физическим свойствам протопласт – многофазный коллоидный раствор с плотностью 1,03-1,10 и имеет слизистую консистенцию, напоминая яичный белок. Обычно протопласт – это гидрозоль – коллоидная система с преобладанием дисперсной среды – воды.

2. Строение плазмолеммы

Плазмолемма. Барьерно-рецепторная и транспортная системы клетки Плазмолемма (plasmalemma), или внешняя клеточная мембрана, среди

различных клеточных мембран занимает особое место. Это поверхностная периферическая структура, не только ограничивающая клетку снаружи, по и обеспечивающая се непосредственную связь с внеклеточной средой, а следовательно, и со всеми веществами и стимулами, воздействующими на клетку.

Химический состав плазмолеммы. Основу плазмолеммы составляет липопротеиновый комплекс. Она имеет толщину около 10 нм и, таким образом, является самой толстой из клеточных мембран.

Снаружи от плазмолеммы располагается надмембранный слой — гликокаликс. Толщина этого слоя около 3—4 нм, он обнаружен практически у всех животных клеток, но степень его выраженности различна. Гликокаликс представляет собой ассоциированный с плазмолеммой гликопротеиновый комплекс, в состав которого входят различные углеводы. Углеводы образуют длинные, ветвящиеся цепочки полисахаридов, связанные с белками и липидами, входящими в состав плазмолеммы. При использовании специальных методов выявления полисахаридов (краситель рутениевый красный) видно, что они образуют как бы чехол поверх плазматической мембраны.

В гликокаликсе могут располагаться белки, не связанные непосредственно с билипидным слоем. Как правило, это белки-ферменты, участвующие во внеклеточном расщеплении различных веществ, таких как углеводы, белки, жиры и др.

Цитология и гистология

Функции плазмолеммы. Эта мембрана выполняет ряд важнейших клеточных функций, ведущими из которых являются функция р а з г р а н и ч е н и я цитоплазмы с внешней средой, функции р е ц е п ц и и и

т р а н с п о р т а различных веществ как внутрь клетки, так и из нее. Рецепторные функции связаны с локализацией на плазмолемме

специальных структур, участвующих в специфическом "узнавании" химических и физических факторов. Клеточная поверхность обладает большим набором компонентов — рецепторов, определяющих возможность специфических реакций с различными агентами. Рецепторами на поверхности клетки могут служить гликопротеиды и гликолипиды мембран. Считается, что такие чувствительные к отдельным веществам участки могут быть разбросаны по всей поверхности клетки или собраны в небольшие зоны. Существуют рецепторы к биологически активным веществам — гормонам, медиаторам, к специфическим антигенам разных клеток или к определенным белкам и др.

С плазмолеммой связана локализация специфических рецепторов, отвечающих за такие важные процессы, как взаимное распознавание клеток, развитие иммунитета, рецепторов, реагирующих на физические факторы. Так, в плазмолемме светочувствительных клеток животных расположена специальная система фоторецепторных белков (родопсин), с помощью которых световой сигнал превращается в химический, что в свою очередь приводит к генерации электрического импульса.

Выполняя транспортную функцию, плазмолемма обеспечивает пассивный перенос ряда веществ, например воды, ряда ионов и некоторых низкомолекулярных соединений. Другие вещества проникают через мембрану путем а к т и в н о г о п е р е н о с а против градиента концентрации с затратой энергии за счет расщепления АТФ. Так транспортируются многие органические молекулы (сахара, аминокислоты и др.). Эти процессы могут быть сопряжены с транспортом ионов, в них участвуют белки-переносчики.

Крупные молекулы биополимеров практически не проникают сквозь плазмолемму. В ряде случаев макромолекулы и даже их агрегаты, а часто и крупные частицы попадают внутрь клетки в результате процесса эидоцитоза (рисунок 1). Эндоцитоз формально разделяют на фагоцитоз (захват и поглощение клеткой крупных частиц, например бактерий или фрагментов других клеток) и пиноцитоз (захват отдельных молекул и макромолекулярных соединений).