ЦИТОЛОГИЯ И ГИСТОЛОГИЯ

Цитология и гистология

Рисунок 1 – Эндоцитоз. Разные типы образования пиноцитозных пузырьков (А, Б):

1 – сорбция частиц на поверхности плазматической мембраны; 2 – погружение частиц в цитоплазму; 3 – первичные лизосомы.

Эндоцитоз начинается с сорбции на поверхности плазмолеммы поглощаемых веществ. Связывание их с плазмолеммой определяется наличием на ее поверхности рецепториых молекул. После сорбции веществ на поверхности плазмолемма начинает образовывать сначала небольшие впячивания внутрь клетки. Эти впячивания могут иметь вид еще не замкнутых округлых пузырьков или представлять собой глубокие инвагинации, впячивания внутрь клетки. Затем такие локальные впячивания отшнуровываются от плазмолеммы и в виде пузырьков свободно располагаются под ней.

В дальнейшем эндоцитозные пузырьки, или эндосомы, могут сливаться друг с другом, расти и в их внутренней полости, кроме поглощенных веществ, начинают обнаруживаться гидролитические ферменты (гидролазы), поступающие сюда из лизосом. Эти ферменты расщепляют биополимеры до мономеров, которые в результате активного транспорта через мембрану пузырька переходят в гиалоплазму. Таким образом, поглощенные молекулы внутри мембранных вакуолей, образовавшихся из элементов плазмолеммы, подвергаются в н у т р и к л е т о ч н о м у пищеварению.

Плазмолемма принимает участие в выведении веществ из клетки (экзоцитоз). В этом случае внутриклеточные продукты (белки, мукополисахариды, липопротеиды и др.), заключенные в вакуоли или пузырьки и отграниченные от гиалоплазмы мембраной, подходят к плазмолемме. В местах контактов плазмолемма и мембрана вакуоли сливаются, и содержимое вакуоли поступает в окружающую среду.

Процесс эндоцитоза и экзоцитоза осуществляется при участии связанной с плазмолеммой системы фибриллярных компонентов цитоплазмы, таких как

Полесский государственный университет Страница 31

Цитология и гистология

микротрубочки и сократимые микрофиламенты. Последние, соединяясь с определенными участками плазмолеммы, могут, изменяя свою длину, втягивать мембрану внутрь клетки, что приводит к отделению от плазмолеммы эидоцитозных вакуолей. Часто, непосредственно примыкая к ней, микрофиламенты образуют сплошной, так называемый кортикальный слой.

Плазмолемма многих клеток животных может образовывать выросты различной структуры. У ряда клеток такие выросты включают в свой состав специальные компоненты цитоплазмы (микротрубочки, фибриллы), что приводит к развитию немембраниых органелл — ресничек, жгутиков и др.

Наиболее часто встречаются на поверхности многих животных клеток микроворсинки. Это выросты цитоплазмы, ограниченные плазмолеммой, имеющие форму цилиндра с закругленной вершиной. Микроворсинки характерны для клеток эпителия, но обнаруживаются и у клеток других тканей. Диаметр микроворсинок около 100 нм. Число и длина их различны у разных типов клеток. Возрастание числа микроворсинок приводит к резкому увеличению площади клеточной поверхности. Это особенно важно для клеток, участвующих во всасывании. Так, в кишечном эпителии на 1 мм2 поверхности насчитывается до 2 х 108 микроворсинок.

3. Строение межклеточных контактов

В тех тканях, в которых клетки или их отростки плотно прилежат друг к другу (эпителиальная, гладкомышечная и другие) между плазмолеммами контактирующих клеток формируются связи - межклеточные контакты.

Типы межклеточных контактов:

простой контакт;

десмосомный контакт;

плотный контакт;

щелевидный или нексус;

синаптический контакт или синапс.

Простые контакты занимают наиболее обширные участки соприкасающихся клеток. Расстояние между билипидными мембранами соседних клеток составляет 15-20 нм, а связь между клетками осуществляется за счет взаимодействия макромолекул соприкасающихся гликокаликсов.

Посредством простых контактов осуществляется слабая механическая связь - адгезия, не препятствующая транспорту веществ в межклеточных пространствах. Разновидностью простого контакта является контакт "типа

Цитология и гистология

замка", когда плазмолеммы соседних клеток вместе с участком цитоплазмы как бы впячивается друг в друга (интердигитация), чем достигается большая поверхность соприкосновения и более прочная механическая связь.

Десмосомные контакты или пятна сцепления представляют собой небольшие участки взаимодействия между клетками, диаметром около 0,5 мкм. Каждый такой участок (десмосома) имеет трехслойное строение и состоит из двух десмосом - электронноплотных участков, расположенных в цитоплазме в местах контакта клеток, и скопления электронноплотного материала в межмембранном пространстве (15-20 нм). Количество десмосом на одной клетке может достигать 2000. Функциональная роль десмосом - обеспечение механической связи между клетками.

Плотные соединения или замыкательные пластинки обычно локализуются между эпителиальными клетками в тех органах (в желудке, кишечнике и других), в которых эпителий отграничивает агрессивное содержимое этих органов (желудочный сок, кишечный сок). Плотные контакты находятся только между апикальными частями эпителиальных клеток, охватывая по всему периметру каждую клетку. В этих участках межмембранные пространства отсутствуют, а билипидные слои соседних плазмолемм сливаются в одну общую билипидную мембрану. В прилежащих участках цитоплазмы соприкасающихся клеток отмечается скопление электронноплотного материала. Функциональная роль плотных контактов - прочная механическая связь клеток, препятствие транспорту веществ по межклеточным пространствам.

Щелевидные контакты или нексусы ограниченные участки контакта соседних цитолемм, диаметром 0,5-3,0 мкм, в которых билипидные мембраны сближены на расстояние 2-3 нм, а обе мембраны пронизаны в поперечном направлении белковыми молекулами коннексонами, содержащими гидрофильные каналы. Через эти каналы осуществляется обмен ионами и микромолекулами соседних клеток, чем и обеспечивается их функциональная связь (например, распространение биопотенциалов между кардиомиоцитами, их содружественное сокращение в миокарде).

Синаптические контакты или синапсы - специфические контакты между нервными клетками (межнейронные синапсы) или между нервными и другими клетками (нервно-мышечные синапсы и другие). Функциональная роль синаптических контактов заключается в передаче возбуждения или торможения с одной нервной клетки на другую или с нервной клетки на иннервируемую клетку.

Цитология и гистология

4. Состав гиалоплазмы

Термин гиалоплазма (от hyaline - прозрачный), основная плазма, матрикс цитоплазмы или цитозоль обозначают очень важную часть клетки, ее истинную внутреннюю среду. Гиалоплазму достаточно просто получить в виде фракции. Для этого путем дифференциального центрифугирования осаждают из гомогенатов клеток все тяжелые компоненты вплоть до рибосом. Надосадочная жидкость в этом случае и представляет собой растворимый компонент цитоплазмы, цитозоль или гиалоплазму. Цитозоль - не просто разбавленный водный раствор; его состав весьма сложен, а консистенция приближается к гелю (желе). Гели - это структурированные коллоидные системы с жидкой дисперсной средой. Частицы дисперсной фазы соединены между собой в рыхлую пространственную сетку, которая содержит в своих ячейках дисперсную среду, лишая текучести систему в целом. Гель гиалоплазмы или цитозоль относится к т.н. тиксотропным гелям, которые под воздействием внешних условий (температура, давление) или внутренних факторов (факторов стабилизации или деполимеризации) могут менять свое агрегатное состояние и переходить в менее вязкую, более жидкую фазу - в золь (раствор). Такие гель-золь переходы очень характерны для гиалоплазмы. Так, например, при высоких гидростатических давлениях цитоплазма не уплотняется, а обратимо разжижается. Отдельные зоны гиалоплазмы могут менять свое агрегатное состояние в зависимости от условий или от функциональной задачи. Так, известно, что отдельные молекулы белковтубулинов могут быть диспергированы в гиалоплазме, но в определенные моменты они начинают собираться и строить длинные трубчатые структуры - микротрубочки. Этот процесс самосборки микротрубочек обратим: при изменении условий жизни клетки (повышение давления или изменение проницаемости мембран клетки) микротрубочки распадаются до мономерных молекул тубулинов. Таким же образом в бесструктурной на первый взгляд гиалоплазме могут возникать и распадаться различные фибриллярные, нитчатые комплексы белковых молекул.

Подобные гель-золь переходы могут определяться также другими белками, например, актином, количество которого в некоторых немышечных клетках может достигать 10%. При взаимодействии фибриллярного актина с белками типа фибрина происходит стабилизация геля, а при связывании с белками, активность некоторых зависит от концентрации Ca++ (гельзолин), происходит фрагментация фибрилл и переход всей системы в жидкое

Цитология и гистология

состояние (золь). Таким путем может меняться состояние цитоплазмы в различных участках клетки, что обеспечивает движение всей клетки или отдельных ее внутриклеточных компонентов.

Функциональное значение гиалоплазмы очень велико. Здесь локализованы ферменты, участвующие в синтезе аминокислот, нуклеотидов, жирных кислот, метаболизма сахаров. В гиалоплазме происходит синтез и отложение запасного полисахарида гликогена, накопление запасных жировых капель, состоящих из триацилглицероидов. Здесь же происходят процессы гликолиза и синтез части АТФ. В гиалоплазме на рибосомах и полирибосомах, несвязанных с мембранами, происходит синтез белков, необходимых клетке для поддержания ее жизнедеятельности, для построения ее органелл. Здесь же происходит активация аминокислот с помощью специфических ферментов и связывание их с трансферными РНК. В цитозоле также происходит модификация ферментов (например, фосфорилирование), приводящее к их активации или к инактивации, происходит деградация, расщепление белков, с помощью специфических протеиназ и др.

В цитозоле на расположенных там рибосомах синтезируются белки, транспортируемые в различные участки клетки. Здесь же осуществляется синтез всех белков клеточного ядра, большая часть белков митохондрий и пластид, основные белки пероксисом. Эти группы белков имеют свои сигнальные аминокислотные последовательности, которые узнаются соответственно ядерными порами, или мембранами, что позволяет этим белкам транспортироваться через мембраны и попадать внутрь митохондрий, пластид, пероксисом.

Синтез секреторных белков, белков лизосом, внеклеточного матрикса также начинается в гиалоплазме, но после контакта с мембранами гранулярного эндоплазматического ретикулума комплекс рибосомаинформационная РНК-пептид оказывается связанным с мембранами, а синтезирующийся белок ко-трансляционно переносится через мембрану и оказывается в полости мембранных вакуолей.

Кроме структурных белков и ферментов в цитозоле в растворенном состоянии содержится огромное количество аминокислот, нуклеотидов и других строительных блоков биополимеров, а также множество метаболитов - промежуточных продуктов, возникающих при синтезе и распаде макромолекул.

Гиалоплазма содержит большое количество ионов, неорганических соединений, таких как Na+, K+, Ca2+, Cl-, HCO3-, HPO42- и др. При этом

Цитология и гистология

мембранными компонентами клетки.

Формально, по морфологическим признакам, обязательные компоненты цитоплазмы, органеллы или органоиды, можно разделить на две группы: мембранные и немембранные. Мембранные органеллы так же представлены двумя вариантами: одномембранные и двумембранные. К первым относятся органеллы вакуолярной системы - эндоплазматический ретикулум, аппарат Гольджи, лизосомы, пероксисомы и другие специализированные вакуоли, а также плазматическая мембрана. К двумембранным органеллам относятся митохондрии и пластиды, а также клеточное ядро. К немембранным органеллам принадлежат рибосомы, клеточный центр животных клеток, постоянно присутствующие в клетках. Что же касается элементов клеточного скелета, цитоскелета, постоянной компоненты клетки, его выраженность может значительно меняться в течение клеточного цикла, от полного исчезновения одного компонента (например, цитоплазматические микротрубочки во время митоза), до появления новых структур (веретено митоза).

ТЕМА 4 СТРОЕНИЕ КЛЕТКИ

1.Классификация органелл.

2.Строение и виды плазматической сети.

3.Пластинчатый комплекс.

4.Лизосомы, эндосомы, пероксисомы.

5.Вакуолярная система клеток растений

1. Классификация органелл

Формально, по морфологическим признакам, обязательные компоненты цитоплазмы, органеллы или органоиды, можно разделить на две группы: мембранные и немембранные.

Мембранные органеллы так же представлены двумя вариантами: одномембранные и двумембранные.

Одномембранные органеллы вакуолярной системы - эндоплазматический ретикулум, аппарат Гольджи, лизосомы, пероксисомы и другие специализированные вакуоли, а также плазматическая мембрана.

Цитология и гистология

Двумембранным органеллы - митохондрии и пластиды, а также клеточное ядро.

К немембранным органеллам принадлежат рибосомы, клеточный центр животных клеток, постоянно присутствующие в клетках. Что же касается элементов клеточного скелета, цитоскелета, постоянной компоненты клетки, его выраженность может значительно меняться в течение клеточного цикла, от полного исчезновения одного компонента (например, цитоплазматические микротрубочки во время митоза), до появления новых структур (веретено митоза).

2. Строение и виды плазматической сети

При исследовании эукариогической клетки с помощью электронного микроскопа в ее цитоплазме обнаруживаются канальцы и уплощенные цистерны, стенки которых образованы мембраной толщиной около 7 нм. В клетках, специализирующихся на синтезе большого количества белков или липидов, канальцы и цистерны особенно многочисленны и формируют сложную трехмерную сеть. Вот почему этот мембранный органоид получил наименование плазматическая сеть (эндоплазматический ретикулум).

Мембраны плазматической сети разграничивают цитоплазму на два различных объема - гиалоплазму, которая находится снаружи от цистерн и канальцев, и

межмембранное пространство.

Плазматическая сеть (ПС) выполняет ряд важных функций в клетке. Прежде всего, она является местом обновления мембран клетки, поскольку в ней синтезируются и встраиваются в существующие мембраны специфические для них белки и липиды (1). Мембраны ПС разграничивают пространство цитоплазмы, формируя трехмерные поверхности сложной формы (2). Эта функция ПС (компартментализация) обеспечивает пространственную организацию метаболизма в клетке. Внутри канальцев ПС осуществляется транспорт и накопление вновь синтезированных веществ, которые необходимы для клетки, а также детоксикация метаболитов (3). На мембранах ПС происходит также синтез веществ, которые выводятся из клетки для нужд всего организма (4).

Различают две разновидности ПС - гладкую и гранулярную (шероховатую). Несмотря на структурно-функциональные различия, мембраны одной разновидности ПС могут непосредственно переходить в мембраны другой.

Гладкая ПС состоит из переплетающихся канальцев и везикул

Полесский государственный университет Страница 37

Цитология и гистология

небольшого диаметра. Она специализируется в основном на синтезе, транспорте и накоплении липидов. Гладкая ПС хорошо развита в клетках коры надпочечников, где участвует в синтезе стероидных гормонов, в клетках печени, обеспечивая детоксикацию метаболитов, в секреторных клетках растений. Особенно сильно гладкая ПС развита в мышечных волокнах скелетной мускулатуры, где она формирует L-систему, которая концентрирует ионы кальция с помощью встроенных в мембраны кальциевых насосов.

Гранулярная ПС отличается от гладкой тем, что на ее внешней поверхности, обращенной к гиалоплазме, находятся рибосомы. Она специализируется на синтезе, транспорте и посттрансляционной модификации белков.

Вотличие от свободных рибосом и полисом, синтезирующих водорастворимые белки гиалоплазмы, входящие в состав гранулярной ПС рибосомы синтезируют или мембранные белки, или секреторные белки, выводимые из клетки. Прикрепление рибосом к мембране ПС обеспечивается внутримембранными гликопротеидами - рибофоринами. Рибосомы прикрепляются к мембране большой субъединицей. При этом они ориентируются так, что ось, которая соединяет большую и малую субъединицы, проходит почти параллельно поверхности мембраны. Рибосома как бы лежит на боку, под небольшим углом к мембране ПС.

Всамом начале синтеза мембранных и секреторных белков рибосомы не связаны с мембраной. В отличие от водорастворимых белков, синтезирующихся в гиалоплазме, мембранные и секреторные белки содержат на N-конце сигнальную последовательность из 15-30 аминокислотных

остатков. Сигнальная последовательность захватывается рибонуклеопротеидной частицей, состоящей из РНК длиной 300 пар пуклеотидов и шести белков (сигнал узнающая частица, или SRP). После захвата N-конца синтез полипептида временно останавливается. Входящий в состав мембраны "причальный белок" связывает SRP, обеспечивая посадку рибосомы и погружение сигнальной последовательности в липидную фазу мембраны. После посадки рибосомы трансляция возобновляется и полипептид появляется на внутренней стороне мембраны. Специальная пептидаза отщепляет сигнальную последовательность, после чего полипептид приобретает нативную конформацию и встраивается в мембрану или транспортируется по канальцам ПС в пластинчатый комплекс.

Гранулярная ПС хорошо развита в чех клетках, которые специализируются на синтезе и выделении большого количества белков. В таких случаях она формирует систему расположенных параллельно друг другу

Цитология и гистология

уплощенных цистерн, занимающую значительную часть цитоплазмы клетки. Примерами могут служить клетки печени, где на мембранах гранулярной ПС происходит синтез белков плазмы крови (альбуминов, фибриногена, глобулинов, белковых факторов свертывания крови), плазматические клетки - "фабрики антител", экзокринные клетки поджелудочной железы, синтезирующие ферменты для полостного пищеварения. Наибольшей сложности гранулярная плазматическая сеть достигает в полиплоидных клетках беспозвоночных и простейших.

3. Пластинчатый комплекс

Пластинчатый комплекс (аппарат Гольджи). В 1898 г. итальянский ученый К. Гольджи выявил в нервных клетках сетчатые образования. Позднее эти структуры были обнаружены практически во всех клетках эукариот и их стали называть комплексом Гольджи. Это обусловлено большим многообразием функций, которые выполняет этот органоид. Так практически любые клетки должны постоянно обновлять поверхностные мембраны, образовывать лизосомы. Во всех этих процессах важнейшая роль принадлежит комплексу Гольджи. Несмотря на разнообразие формы этого органоида, строение его сходно в клетках эукариот. Структурной единицей органоида является диктиосома. В диктиосоме плотно друг к другу расположены 5-10 плоских цистерн, между которыми располагаются тонкие прослойки цитоплазмы. Каждая цистерна имеет переменную толщину. В центре мембраны могут быть сближены (до 25 нм), а на периферии иметь расширения. Кроме плотно расположенных плоских цистерн, в зоне комплекса Гольджи наблюдается множество мелких пузырьков (везикул), которые встречаются главным образом в его периферических участках. В зоне диктиосомы различают проксимальный и дистальный участки. В секретирующих клетках проксимальная часть обычно обращена к ядру, дистальная - к поверхности клетки. В проксимальном участке к цистернам примыкает зона мелких гладких пузырьков и коротких мембранных цистерн. Дистальная часть характеризуется наличием крупных вакуолей, часто содержащих продукты клеточной секреции. Мембраны проксимальной и дистальной частей различаются по толщине: первые имеют толщину 6-7 нм, вторые - до 10 нм. Мембраны комплекса Гольджи образуются при участии гранулярной эндоплазматической сети.

Во время деления клеток диктиосомы пассивно и случайно распределяются по дочерним клеткам. При росте клеток общее количество диктиосом увеличивается.

Комплекс Гольджи выполняет в клетке разнообразные функции:

Цитология и гистология

1.Концентрация и уплотнение экзогенных и эндогенных веществ

(упаковочный центр). Эта функция комплекса Гольджи заключается в том, что синтезированный на рибосомах эргастоплазмы белок отделяется и накапливается внутри цистерн эндоплазматической сети. По цистернам он транспортируется к зоне мембран пластинчатого комплекса. После концентрации и уплотнения от ампулярных расширений цистерн комплекса Гольджи отщепляются пузырьки, содержащие эти белки. Такие везикулы также могут сливаться друг с другом и увеличиваться в размерах, образуя секреторные гранулы. После этого секреторные гранулы передвигаются к плазмолеммы, и, таким образом, содержимое гранул оказывается за пределами клетки. При этом процессе отдельные мелкие пузырьки с готовым продуктом отделяются от диктиосом. Затем они или разносятся по цитоплазме для внутреннего потребления клетки или сливаются в секреторные вакуоли. Эти вакуоли двигаются к поверхности клетки, где их мембрана сливается с плазматической и таким образом осуществляется выделение содержимого этих вакуолей за пределы клетки. Таким образом, аппарат Гольджи является промежуточным звеном между собственно синтезом секретируемого белка и выведением его из клетки.

2.Образование и регенерация плазматической мембраны. Так в полости комплекса Гольджи поступают молекулы целлюлозы, которые перемещаются на поверхность клетки и включаются в клеточную оболочку. В аппарате Гольджи растительных клеток происходит синтез полисахаридов матрикса клеточной стенки (гемицеллюлозы, пектины).

3.Модификация белков. В зоне комплекса Гольджи большинство белков подвергается модификации, заключающейся в образовании гликопротеидов и липопротеидов.

4.Образование первичных лизосом.

4.Лизосомы, классификация, строение и значение

Лизосомы (греч. “лизео” - растворяю, “сома” - тело). Лизосомы были открыты в 1955 г. французским ученым де Дювом при изучении клеток печени методом фракционного центрифугирования. В дальнейшем применение биохимических, цитохимических и электронно-микроскопических методов позволило детально изучить строение, функционирование и происхождение этих структур. Лизосомы представляют собой пузырьки диаметром от 0,2 до 1 мкм, содержащие различные ферменты. Всего в лизосомах обнаружено около 50 гидролитических ферментов (протеиназы, нуклеазы, глюкозидазы, фосфатазы, липазы и др.). Маркерным ферментом является кислая фосфатаза. Это самые мелкие мембранные органоиды, встречающиеся практически у всех эукариот. Однако частота встречаемости лизосом варьирует в зависимости от типа клеток. Так в тканях животных лизосомы