Учебник (Афанасьев) - гистология, эмбриология

П. Г. Светлов (1892-1974)

А. Г. Кнорре (1914-1981)

41

Отечественный эмбриолог А. Г. Кнорре (1914-1981) внес ценный вклад в учение о эмбриональных гистогенезах, изложенное в одноименной монографии и в книге по эмбриологии человека. Под редакцией А. Г. Кнорре в середине 70-х гг. XX в. вышел атлас по эмбриологии, подготовленный Л. И. Фалиным и содержащий более 1000 иллюстраций разных стадий развития человека.

Вопросы гистогенеза в эмбрионе и внезародышевых органах (плацента, амнион и др.), выяснение роли трофобласта плаценты человека и животных успешно разрабатывались в Новосибирске (М. Я. Субботин, П. В. Дунаев, В. Д. Новиков).

Современный период развития гистологии, цитологии и эмбриологии характеризуется широким и комплексным использованием многих методов исследования. Научнотехнический прогресс, успехи развития методов исследования позволили дойти до анализа макромолекулярного уровня организации клеток и неклеточных структур, уточнить представления о процессах дифференцировки, регенерации, молекулярной организации хромосом, расшифровать генетический код и др. Благодаря этому были созданы основы ультрамикроскопической цитологии и гистологии и разрабатываются проблемы молекулярной биологии.

Контрольные вопросы

1.Назовите основные периоды развития гистологии и эмбриологии.

2.Какие отечественные гистологические школы стали возникать с XIX по XX в., и какие направления в морфологии они развивали?

3.Что характерно для современного периода развития гистологии?

Глава 4. УЧЕНИЕ О КЛЕТКЕ (ОСНОВЫ ОБЩЕЙ ЦИТОЛОГИИ). ЦИТОЛОГИЯ.

Основой строения эукариотических организмов является наименьшая единица живого

- клетка (cellula).

Клетка - это ограниченная активной мембраной, упорядоченная структурированная система биополимеров (нуклеиновые кислоты, белки, полисахариды, липиды) и их макромолекулярных комплексов, образующих ядро и цитоплазму, осуществляющих поддержание и воспроизведение всей системы в целом.

Кроме клеток, в организме находятся их производные: симпласт, синцитий, межклеточное вещество (см. главу 5).

включает гиалоплазму (или основную плазму), в которой находятся органеллы; каждая из них выполняет обязательную функцию. Часть органелл имеет мембранное строение:

эндоплазматическая сеть, комплекс Тольджи, лизосомы, пероксисомы и митохондрии. Немембранные органеллы цитоплазмы представленырибосомами, клеточным центром,

ресничками, жгутиками и компонентами цитоскелета. Кроме того, в гиалоплазме могут встретиться и иные необязательные структуры, или включения (жировые капли, пигментные гранулы и др.). Такое разделение клетки на отдельные компоненты не означает их структурной и функциональной обособленности. Все эти компоненты выполняют отдельные внутриклеточные функции, необходимые для существования клетки как целого, как элементарной единицы живого. Изучением общих черт строения и функционирования клеток занимается наука цитология, или, как ее теперь называют,

42

биология клетки. Она исследует отдельные клеточные структуры, их участие в общеклеточных физиологических процессах, пути регуляции этих процессов, воспроизведение клеток и их органелл, приспособление клеток к условиям среды, реакции на действие различных факторов. Изучение цитологии имеет большое значение для медицины, так как практически все болезни человека являются результатом различных клеточных поражений или нарушений функций клеток в составе тканей различных органов.

4.1. КЛЕТОЧНАЯ ТЕОРИЯ

Клеточная теория - это обобщенное представление о строении клеток как единиц живого, об их воспроизведении и роли в формировании многоклеточных организмов.

Появлению и формулированию отдельных положений клеточной теории предшествовал довольно длительный (более 300 лет) период накопления знаний о строении различных одноклеточных и многоклеточных организмов, растений и позвоночных животных. Все это легло в основу сформулированной Т. Шванном (1838) клеточной теории строения организмов (см. главу 3). Большую роль в развитии клеточной теории сыграли работы немецкого патолога Р. Вирхова.

В книге «Целлюлярная патология как учение, основанное на физиологической и патологической гистологии» (1855-1859) он обосновал фундаментальное положение о преемственности клеточного развития. Р. Вирхов, в противоположность Т. Шванну и М. Шлейдену, отстаивал взгляд на образование новых клеток не из «цитобластемы» - бесструктурной живой субстанции, а путем деления предсуществующих клеток (omnis cellula e cellula).

Создание клеточной теории и ее дальнейшее развитие стало важнейшим событием в биологии, одним из решающих доказательств единства происхождения всей живой природы. Клеточная теория оказала значительное влияние на развитие биологии и медицины, послужила главным фундаментом для становления таких дисциплин, как эмбриология, гистология. Принятие принципа клеточного строения организма оказало огромное влияние на физиологию, переведя ее на изучение реально функционирующих единиц - клеток. Она дала основы для научного понимания жизни, для понимания индивидуального развития и возникновения патологических изменений организмов.

Клеточная теория сохраняет свое значение до настоящего времени. Основные положения клеточной теории изложены ниже.

43

Р. Вирхов (1821-1902)

1. Клетка - наименьшая единица живого. Согласно одному из современных определений, живые организмы представляют собой открытые (т. е. обменивающиеся с окружающей средой веществами и энергией), саморегулирующиеся и самовоспроизводящиеся системы, важнейшими функционирующими компонентами которых являются белки и нуклеиновые кислоты. Все проявления жизни связаны с белками. Белки - функционирующие молекулы, обладающие сложной организацией и строгой функциональной специфичностью, которая определяется нуклеиновыми кислотами, несущими в себе информацию о строении тех или других белков. Живому свойствен ряд совокупных признаков: генетическая индивидуальность, способность к воспроизведению (репродукции), использование и трансформация энергии, метаболизм, реактивность и раздражимость, адаптивная изменчивость. Такую совокупность этих признаков впервые можно обнаружить только на клеточном уровне. Именно клетка как таковая является наименьшей единицей, обладающей всеми свойствами, отвечающими определению «живое».

2. Сходство клеток разных организмов по строению. Клетки могут иметь разнообразную внешнюю форму: шаровидную (лейкоциты), многогранную (клетки железистого эпителия), звездчатую и разветвленно-отростчатую (нервные и костные

44

клетки), веретеновидную (гладкие мышечные клетки, фибробласты), столбчатую (кишечный эпителиоцит), уплощенную (эндо-телиоцит, мезотелиоцит) и др. Однако при изучении клеток тканей различных растений или животных обращает на себя внимание существование общего плана их организации (рис. 4.1). Такое сходство в строении клеток определяется общеклеточными функциями, связанными с поддержанием самой живой системы (синтез нуклеиновых кислот и белков, биоэнергетика клетки и др.). Одновременно это сходство указывает на общность происхождения всех эукариотических организмов.

Различие клеток в многоклеточном организме, обусловленное специализацией их функций, связано с развитием органелл специального значения. Так, если рассматривать мышечную клетку, то в ней, кроме общеклеточных структур (мембранные системы, рибосомы и др.), встречаются в большом количестве фибриллярные компоненты - миофиламенты и миофибриллы, обеспечивающие движение, сокращение. В нервной клетке, кроме общеклеточных компонентов, можно увидеть большое количество микротрубочек и промежуточных филаментов в клеточных отростках. Вся совокупность этих отличительных черт нервной клетки связана с ее специализацией - генерацией и передачей нервного импульса (подробно эти вопросы рассматриваются в разделе «Учение

отканях»).

3.Размножение клеток путем деления исходной клетки. Размножение прокариотических и эукариотических клеток происходит только путем деления исходной клетки, которому предшествует воспроизведение ее генетического материала (репликация ДНК). У эукариотических клеток единственно полноценным способом деления являетсямитоз, или непрямое деление. При этом по двум дочерним клеткам

распределяется равное количество хромосом, которые до этого удвоились в числе.

Митоз наблюдается у всех эукариотических (растительных и животных) клеток. Современная наука отвергает иные пути образования клеток и увеличения их числа в норме.

4. Клетки имеют одинаковый объем генетической информации. Это положение основано на том, что все клетки произошли от зиготы - одноклеточного зародыша. Однако морфологически и функционально клетки разных тканей значительно отличаются друг от друга. Несмотря на то, что потомки одноклеточного зародыша должны обладать одинаковыми генетическими потенциями, по мере развития зародыша его клетки все больше и больше отличаются друг от друга как по свойствам, так и по строению. Это связано с тем, что в разных клетках развивающегося организма одинаковая по объему генетическая информация реализуется не полностью (вследствие их детерминации и дифференциальной активности генов).

45

Рис. 4.1. Ультрамикроскопическое строение клетки животных организмов (схема): 1 - ядро; 2 - плазмолемма; 3 - микроворсинки; 4 - агранулярная эндоплазма-тическая сеть; 5 - гранулярная эндоплазматическая сеть; 6 - комплекс Гольджи; 7 - центриоль и микротрубочки клеточного центра; 8 - митохондрии; 9 - цито-плазматические пузырьки; 10 - лизосомы; 11 - микрофиламенты; 12 - рибосомы; 13 - выделение гранул секрета

Индивидуальное развитие от одной клетки до многоклеточного зрелого организма - результат последовательного, избирательного включения работы разных генов в различных клетках. Это приводит к появлению клеток со специфическими для них структурами и особыми функциями, к процессу, называемомудифференцировкой. Дифференцировка обусловлена активностью разных генов в разных клетках, проявляемой по мере развития многоклеточного организма. Другими словами, сходство в строении клеток как данного организма, так и разных организмов определяется сходством общеклеточных функций, направленных на поддержание жизни самих клеток и их размножение. Разнообразие же в строении клеток - это результат их функциональной специализации, дифференцировки в процессе развития.

5. Клетки как части целостного организма. Каждое проявление деятельности целого организма, будь то реакция на раздражение или движение, иммунные реакции и многое другое, осуществляется специализированными клетками различных тканей. Однако, хотя клетка и является единицей функционирования в многоклеточном организме, деятельность ее не обособлена от других клеток и от межклеточного вещества. Специализированные клетки объединяются в системы тканей и органов, подчиненные и связанные межклеточными, тканевыми, гуморальными и нервными формами регуляции.

46

Вот почему мы говорим об организме как о целом, а о клетках - как об элементарных единицах живого, специализированных на выполнении строго определенных функций, осуществляющих их в комплексе со всеми элементами, входящими в состав сложно организованной системы многоклеточного организма.

4.2. СТРУКТУРНЫЕ КОМПОНЕНТЫ КЛЕТКИ 4.2.1. Цитоплазма

Цитоплазма (cytoplasma), часть клетки, отделенная от окружающей среды плазмолеммой, включает гиалоплазму и находящиеся в ней обязательные клеточные компоненты - органеллы, а также различные непостоянные структуры - включения.

Гиалоплазма

Гиалоплазма (от греч. hyalinos - прозрачный), или матрикс цитоплазмы, представляет собой очень важную часть клетки, ее истинную внутреннюю среду.

В электронном микроскопе матрикс цитоплазмы имеет вид гомогенного или тонкозернистого вещества с низкой электронной плотностью. Гиалоплазма - студнеобразная коллоидная система. Эта система способна переходить из золеобразного (жидкого) состояния в гелеобразное и обратно.

В организованной, упорядоченной многокомпонентной системе гиалоплаз-мы отдельные зоны могут менять свое агрегатное состояние в зависимости от условий или от функциональной задачи; в бесструктурной на взгляд гиа-лоплазме могут возникать и распадаться различные фибриллярные, нитчатые комплексы белковых молекул. В состав гиалоплазмы входят главным образом различные глобулярные белки. Они составляют 2025 % общего содержания белков в эукариотической клетке. К важнейшим ферментам гиалоплазмы относятся ферменты метаболизма сахаров, азотистых оснований, аминокислот, липидов и других важных соединений. В гиалоплаз-ме располагаются ферменты активации аминокислот при синтезе белков, транспортные (трансферные) рибонуклеиновые кислоты (тРНК). В гиало-плазме при участии рибосом и полирибосом (полисом) происходит синтез белков, необходимых для собственно клеточных нужд, для поддержания и обеспечения жизни данной клетки. Осмотические и буферные свойства клетки в значительной степени определяются составом и структурой гиало-плазмы. Важнейшая роль гиалоплазмы заключается в том, что эта полужидкая среда объединяет все клеточные структуры и обеспечивает химическое взаимодействие их друг с другом. Через гиалоплазму осуществляется большая часть внутриклеточных транспортных процессов: перенос аминокислот, жирных кислот, нуклеотидов, сахаров. В ней идет постоянный поток ионов к плазматической мембране и от нее к митохондриям, к ядру и вакуолям. В гиалоплазме происходит анаэробный синтез аденозинтрифосфата (АТФ) - гликолиз. Она является основным вместилищем и зоной перемещения массы молекул АТФ. В гиалоплазме происходит отложение запасных продуктов: гликогена, жировых капель, некоторых пигментов.

4.2.2. Органеллы

Органеллы - постоянно присутствующие и обязательные для всех клеток микроструктуры, выполняющие жизненно важные функции.

Классификация органелл. Различают мембранные и немембранные органеллы. Мембранные органеллы представлены цитоплазматической сетью (эндо-плазматическим ретикулумом), комплексом Гольджи (аппаратом Гольджи), митохондриями, лизосомами, пероксисомами. К немембранным органеллам относят рибосомы (полирибосомы), клеточный центр и элементы цитоскелета (микротрубочки, микрофиламенты и промежуточные филаменты).

47

Мембранные органеллы Структурно-химическая характеристика мембран клеток

К клеточным мембранам относятся плазмолемма, ядерная оболочка, мембраны митохондрий, эндоплазматической сети, комплекса Гольджи, лизосом и перок-

сисом. Общей чертой всех мембран клетки является то, что они представляют собой тонкие (6-10 нм) пласты липопротеидной природы (липиды в комплексе с белками) (рис.

4.2).

Рис. 4.2. Строение клеточной мембраны (схема);

1 - липиды; 2 - гидрофобная зона би-слоя липидных молекул; 3 - интегральные белки мембраны; 4 - полисахариды гликокаликса

Основными химическими компонентами клеточных мембран являются липиды (40 %)

ибелки (60 %); кроме того, во многих мембранах обнаружены углеводы (5-10 %).

Клипидам относится большая группа органических веществ, обладающих плохой растворимостью в воде (гидрофобность) и хорошей растворимостью в органических растворителях и жирах (липофиль-ность). Состав липидов в разных мембранах неодинаков. Например, плазматическая мембрана в отличие от мембран эндоплазматической сети и митохондрий обогащена холестерином. Характерными представителями липидов, встречающихся в клеточных мембранах, являются фосфо-

липиды (глицерофосфатиды), сфингомиелины и из стероидных липидов - холестерин.

Особенностью липидов является разделение их молекул на две функционально различные части: гидрофобные неполярные, не несущие зарядов («хвосты»), состоящие из жирных кислот, и гидрофильные, заряженные полярные «головки». Это определяет способность липидов самопроизвольно образовывать двухслойные (билипидные) мембранные структуры толщиной 5-7 нм.

Мембраны различаются и набором белковых молекул. Многие мембранные белки состоят из двух частей - участков, богатых полярными (несущими заряд) аминокислотами, и участков, обогащенных неполярными аминокислотами: глицином, аланином, валином, лейцином. Такие белки в липидных слоях мембран располагаются так, что их неполярные участки погружены в «жирную» часть мембраны, где находятся гидрофобные участки липидов. Полярная (гидрофильная) же часть этих белков взаимодействует с головками липидов и обращена в сторону водной фазы. Эти белки пронизывают мембрану, их называют интегральными белками мембран. Кроме интегральных белков, существуют белки, частично встроенные в мембрану, - полуинтегральные и примембранные, не встроенные в билипидный слой. По

48

биологической роли белки мембран можно разделить на белки-ферменты, белкипереносчики, рецепторные и структурные белки.

Углеводы мембран входят в их состав не в свободном состоянии, они связаны с молекулами липидов или белков. Такие вещества называются соответственно гликолипидами и гликопротеидами. Как бы ни было велико различие между мембранами по количеству и составу их липидов, белков и углеводов, мембраны обладают рядом общих свойств, определяемых их основной структурой. Все мембраны являются барьерными структурами, резко ограничивающими свободную диффузию веществ между цитоплазмой и средой, с одной стороны, и между матриксом и содержимым мембранных органелл - с другой.

Особенность же специфических функциональных нагрузок каждой мембраны определяется свойствами и особенностями белковых компонентов, большая часть которых представляет собой ферменты или ферментные системы. Важную роль в функционировании мембран играют гликолипиды и гликопротеиды надмембранного слоя.

Плазматическая мембрана. Барьерно-рецепторная и транспортная системы клетки

Плазматическая мембрана, или плазмолемма (membrana cellularis), среди различных клеточных мембран занимает особое место. Это поверхностная периферическая структура, не только ограничивающая клетку снаружи, но и обеспечивающая ее непосредственную связь с внеклеточной средой, а следовательно, и со всеми веществами и стимулами, воздействующими на клетку.

Химический состав плазматической мембраны. 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 - глико-каликс (glycocalyx). 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 гли-копротеиновый комплекс, в состав которого входят различные углеводы. Углеводы образуют длинные, ветвящиеся цепочки полисахаридов, связанные с белками и липидами, входящими в состав плазмолеммы (см. рис. 4.2). При использовании специальных методов выявления полисахаридов (краситель рутениевый красный) показано, что они образуют структуру, подобную «чехлу» поверх плазматической мембраны.

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

Функции плазматической мембраны - это разграничение цитоплазмы с внешней средой, рецепции и транспорта 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 (см. рис. 4.2). Считается, что такие чувствительные к отдельным веществам участки могут быть разбросаны по всей поверхности клетки или собраны в небольшие зоны. Существуют рецепторы биологически активных веществ - гормонов, медиаторов, специфических антигенов разных клеток или белков и др.

С плазмолеммой связана локализация специфических рецепторов, отвечающих за такие важные процессы, как взаимное распознавание клеток и развитие иммунитета. Так,

49

в составе плазмолеммы всех клеток находится молекула гистосовместимости I класса (гликопротеин), которая состоит из: а) интегрального трансмембранного белка, часть которого находится в цитоплазме, другая - пронизывает плазмолемму, и последняя, наиболее длинная часть молекулы, находится в гликокаликсе; б) периферического мембранного белка с малой молекулярной массой; в) короткой молекулы белка, которая нековалентно связывается с петлями внеклеточной части интегрального трансмембранного белка. Именно последняя часть молекулы (пептид из 9 аминокислот) является фрагментом нормального белка клетки данной особи. Он и распознается как «свой» клетками иммунной системы человека. В случае мутации на месте белка гистосовместимости появляется белок с иной структурой молекулы (например, кодируемый вирусом), и в ответ на это возникает иммунная реакция со стороны организма, направленная на уничтожение данной клетки. Этот механизм сохраняет генетическую индивидуальность клеток, следовательно, и организма.

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 активного переноса 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 эндо-цитоза (рис. 4.3). Эндоцитоз формально разделяют на фагоцитоз (захват и

Рис. 4.3. Эндоцитоз. Разные типы образования пиноцитозных пузырьков (а, б):

1 - сорбция частиц на поверхности плазматической мембраны; 2 – погружение частиц в цитоплазму; 3 - первичные лизосомы поглощение клеткой крупных частиц, например, бактерий или фрагментов других клеток) и пиноцитоз (захват отдельных молекул и макромолекуляр-ных соединений).

Пиноцитоз начинается с сорбции на поверхности плазмолеммы поглощаемых веществ. Связывание их с плазмолеммой определяется наличием на ее поверхности

50