Гистология, цитология и эмбриология. Учебное пособие

Тема 3. ЦИТОЛОГИЯ, ЯДРО КЛЕТКИ, КЛЕТОЧНЫЙ ЦИКЛ

Ядро клетки

Ядро является обязательной, важнейшей частью клетки, содержащей генетический аппарат. Оно выполняет следующие функции:

•хранение генетической информации (в молекулах ДНК, находящихся в хромосомах);

•реализацию генетической информации (контроль и регуляция разнообразных процессов в клетке через трансляцию и транскрипцию);

•воспроизведение и передачу генетической информации дочерним клеткам (при делении).

Обычно в клетке имеется только одно ядро, но встречаются и многоядерные клетки (образуются вследствие митоза, не сопровождающегося цитотомией). Надклеточные структуры

(симпласты) содержат много ядер.

Форма ядра зависит от формы клетки. Так, клетки круглой

икубической формы обычно имеют круглое ядро, клетки плоские – уплощенное, клетки призматической формы – овальное, клетки веретеновидной формы – палочковидное ядро. Встречаются и сегментированные ядра (в лейкоцитах).

Размеры ядра составляют 4–10 мкм. Ядерно-цитоплазма- тическое отношение обычно постоянно для каждого типа клеток; оно уменьшается при усилении функциональной активности клетки.

Основные структурные компоненты ядра: ядерная оболочка,

хромосомы (хроматин), ядрышко, кариоскелет, кариоплазма. Ядерная оболочка отделяет ядро от цитоплазмы, отграни-

чивает его содержимое и обеспечивает обмен веществ между ядром и цитоплазмой. Ядерная оболочка состоит из двух биологических мембран, между которыми расположено перинуклеарное пространство шириной 15–40 нм. Наружная мембрана ядра покрыта рибосомами и переходит в мембраны гранулярной эндоплазматической сети. К внутренней мембране прилежит слой белковых филаментов (ламина) кариоскелета, через который к ядерной оболочке прикрепляются хромосомы.

22

В ядерной оболочке имеются отверстия – ядерные поры диаметром 90 нм. Они содержат комплекс поры, который состоит из 1 центральной и 8 пар периферических белковых глобул, связанных между собой белковыми нитями, образующими диафрагму толщиной 5 нм. Эти комплексы пор обладают избирательной проницаемостью: через них не могут пройти мелкие ионы, но переносятся длинные нити информационной РНК и субъединицы рибосом. В ядре имеется несколько тысяч пор, занимающих от 3 до 35% его поверхности. Количество их значительно больше в клетках с интенсивными синтетическими и обменными процессами. В ядерных оболочках сперматозоидов, где биосинтез белка не происходит, поры не обнаружены.

Замечено также, что чем выше функциональная активность клетки, тем сильнее извита кариолемма (для увеличения пло-

щади обмена веществ между ядром и цитоплазмой). Хромосомы – комплексы ДНК с белком. В период мито-

за хромосомы конденсированы и хорошо видны в клетке под обычным световым микроскопом в виде интенсивно окрашенных палочковидных телец. В них очень плотно упакованы длинные нити ДНК с белком. В интерфазном ядре хромосомы под световым микроскопом не видны, а под электронным микроскопом в ядре выявляются нити (хромосомные фибриллы) толщиной 30 нм, которые представляют собой деспирализованные хромосомы.

У п а ко в к а Д Н К в х р ом о с ом е. Двойная спираль ДНК (2 нм толщиной) наматывается на глобулярные комплексы белков-гистонов (по два витка на каждой глобуле), образуя

нуклеосомы и нуклеосомную нить, имеющую вид «нитки бус» толщиной 11 нм. На 2-м уровне упаковки эта нить продольно скручивается (суперспирализация) с образованием хромосомной фибриллы толщиной 30 нм, которая складывается, сшивается негистоновыми белками, образуя петли и фибриллу толщиной 300 нм (хромонема – 3-й уровень упаковки). Последняя опять образует складки и еще более толстую и короткую структуру толщиной 700 нм – хроматиду, из пары которых и образуются хромосомы (толщиной 1400 нм) в делящейся клетке.

Подсчитано, что в каждой хромосоме (3–5 мм длины) упаковано по две нити ДНК длиной до 5 см, а общая длина нитей ДНК в одной клетке человека достигает 2 м. Эта плотность упаковки сравнима с укладкой нити длиной 20 км в клубок размером в теннисный мячик.

23

Считывание генетической информации с ДНК и образование информационной РНК (транскрипция) может происходить только в деспирализованных (таких как нуклеосомная нить), открытых для считывания информации участках хромосом интерфазной клетки (эухроматин). В более спирализованных участках хромосом (гетерохроматин) транскрипция не происходит. Во время деления (митоза) происходит максимальная спирализация ДНК хромосом. В этот период генетическая информация с ДНК считываться не может и синтетические процессы в клетке не происходят.

М о р ф о л о г и я м и т о т и ч е с к и х х р ом о с ом. Хромосомы во время митоза представляют собой палочковидные структуры разной длины. В них выявляется первичная перетяжка (центромера, кинетохор) – сложная белковая структура, к которой прикрепляются микротрубочки клеточного веретена, обеспечивающие перемещение хромосом при делении клетки. Она делит хромосому на два плеча. Хромосомы с равными плечами называются метацентрическими, с плечами неодинаковой длины – субметацентрическими. Хромосомы с очень коротким вторым плечом называются акроцентрическими. Некоторые хромосомы, кроме того, имеют вблизи одного из концов вторичные перетяжки, отделяющие маленький участок хромосомы – спутник. Вторичные перетяжки называют также ядрышковыми организаторами, так как в этих участках некоторых (пяти пар) хромосом содержатся гены, кодирующие рибосомную РНК и образование ядрышек.

Кариотип – совокупность хромосом данного биологического вида (их число, размеры и особенности строения). Например, кариотип человека составляет 22 пары соматических хромосом плюс одну пару половых хромосом.

Хроматин – фрагменты интерфазных хромосом, которые под действием фиксатора выпадают в осадок и видны в виде глыбок интенсивно окрашенного базофильного вещества в фиксированном интерфазном ядре клетки. Чем сильнее конденсированы хромосомы, тем крупнее эти глыбки. В виде самой крупной глыбки хроматина выявляется вторая (максимально конденсированная, нефункционирующая) Х-хромосома в клетках женского организма. Ее называют половым хроматином (тельце Барра). По его присутствию в образцах тканей можно идентифицировать пол человека. Сильно конденсированный хроматин – гетерохроматин – функционально неактивный

24

хроматин, не участвующий в транскрипции. Кроме того, различают еще эухроматин – мелкодисперсный осадок нуклеосомных нитей и хроматиновых фибрилл – функционально активный хроматин, участвующий в транскрипции.

Ядрышки – плотные, интенсивно окрашенные округлые образования в ядре размером 1–2 мкм. Их может быть несколько. Ядрышки образуются в интерфазном ядре в ядрышковых организаторах, которые обычно располагаются в области вторичных перетяжек пяти пар хромосом. Там находятся гены, кодирующие рибосомную РНК. Ядрышки состоят из гранулярного и фибрилярного компонентов. Нити ядрышек представляют собой молекулы образовавшейся рибосомной РНК, а гранулы – субъединицы рибосом, которые образуются при связывании нитей РНК с белками, поступающими из цитоплазмы. Эти субъединицы через ядерные поры выходят в цитоплазму, где объединяются в рибосомы и связываются с информационной РНК для синтеза белка. Чем выше функциональная, синтетическая активность клетки, тем многочисленней и крупнее ее ядрышки и большее количество субъединиц рибосом образует-

ся в ядрышках и выходит в цитоплазму.

Кариоскелет – фибриллярная сеть ядра, которая уплотняется около ядерной оболочки с образованием ламины. Кариоскелет поддерживает определенную форму ядра и расположе-

ние в нем хромосом.

Кариоплазма (ядерный сок) – жидкий компонент ядра, истинный раствор биополимеров, в котором во взвешенном состоянии расположены хромосомы и ядрышко. По своим физико-химическим свойствам кариоплазма близка к гиалоплазме.

Репродукция клеток

Репродукция клеток осуществляется путем митоза (для сома-

тических клеток) или мейоза (при созревании половых клеток).

Митоз, кариокинез, или непрямое деление, – универсальный способ деления любых животных клеток. При этом удвоившиеся и конденсированные хромосомы переходят в компактную форму митотических хромосом. Затем образуется веретено деления, которое обеспечивает разделение и расхождение хромосом к противоположным полюсам клетки. Митоз заканчивается делением цитоплазмы клетки (цитотомия). Био-

25

логическая сущность митоза заключается в равномерном распределении генетического материала между дочерними клетками. Процесс митоза подразделяется на несколько основных фаз: профаза, метафаза, анафаза и телофаза.

Профаза – ДНК в результате суперспирализации начинает выявляться под микроскопом в ядре клетки в виде палочковидных телец – хромосом. Процессы транскрипции в них прекращаются. Затем происходит исчезновение (дезинтеграция) ядрышек и ядерной оболочки. Центриоли расходятся к полюсам клетки, образуется митотическое веретено (веретено деления), его нити прикрепляются к кинетохорам хромосом.

Метафаза – заканчивается образование веретена деления, а хромосомы выстраиваются в экваториальной плоскости клетки, образуя метафазную пластинку хромосом (вид сбоку), или материнскую звезду (вид с полюсов клетки). К концу метафазы завершается процесс разделения сестринских хроматид, они остаются связанными между собой только в области центромера. Метафаза по продолжительности занимает 30% времени всего митоза.

Анафаза – хромосомы растягиваются к полюсам клетки с помощью микротрубочек веретена деления со скоростью 0,2– 0,5 мкм/мин, что связано с деполимеризацией и укорачиванием микротрубочек и работой белков-транслокаторов. Это самая короткая фаза митоза, занимающая по продолжительности лишь 5–10% всего времени митоза.

Телофаза начинается с остановки разошедшихся к полюсам хромосом (ранняя телофаза) и заканчивается созданием новых интерфазных ядер и разделением материнской клетки на две дочерние в результате цитотомии (поздняя телофаза). При этом хромосомы деконденсируются, образуются ядерные оболочки и формируются новые ядрышки.

Поскольку митоз очень сложный и тонкий процесс, во время деления клетки особо чувствительны к воздействию физикохимических факторов (облучение, токсические вещества, лекарственные препараты). При повреждении веретена деления может произойти задержка митоза в метафазе или рассеивание хромосом. При нарушениях репродукции центриолей могут возникать многополюсные и асимметричные митозы. Нарушения процесса цитотомии приводят к появлению гигантских ядер или многоядерных клеток.

26

Плоидность – число наборов хромосом в клетке, обозначаемое буквой n. Пропорциональное содержание ДНК в клетке обозначается буквой с. В половых клетках набор хромосом гаплоидный (1n и 1с), а в соматических клетках – обычно диплоидный (2n и 2с). Среди соматических клеток встречаются и полиплоидные, в которых набор хромосом больше: тетраплоидный (4n) и даже октаплоидный (8n).

Полиплоидия – образование клеток с повышенным (больше диплоидного) содержанием хромосом и ДНК. Такие клетки появляются в результате отсутствия или незавершенности отдельных этапов митоза, при блокаде цитотомии. При этом после прохождения S- и G2-периодов клетки вступают в митоз с тетраплоидным набором хромосом, проходят все его фазы, но не делятся на две дочерние. Особый способ полиплоидизации – эндорепродукция. При этом в клетке происходит несколько циклов редупликации ДНК (S-периодов) без последующего образования митотических хромосом и митоза. Это приводит к прогрессивному увеличению количества ДНК в ядре.

Двуядерные и многоядерные клетки образуются в случае, когда в результате митоза происходит образование двух или более ядер, но без последующей цитотомии.

Мейоз – способ деления, в результате которого образуются клетки с гаплоидным набором хромосом (половые клетки). Оба деления мейоза напоминают митоз, однако в профазе 1-го деления происходит:

•коньюгация (попарное слияние гомоглобин хромосом);

•кроссинговер (обмен хромосом гомологичными участками);

•исправление накопившихся повреждений ДНК и хромосом. Кроме того, между 1-м и 2-м делением нет интерфазы и поэтому не происходит редупликации ДНК. Биологическое значение мейоза заключается в том, что образовавшиеся мужские и женские половые клетки несут генетическую информацию от отца и матери и при их слиянии образуется зигота с диплоидным набором хромосом, несущая равное количество генетической информации от обоих родителей.

Клеточный цикл

Жизненный цикл клетки (клеточный цикл) – это весь период существования клетки (от деления до смерти или до следующего деления). Клеточный цикл состоит из митотиче-

27

ского периода (М) и интерфазы (межмитотического периода). Интерфаза в свою очередь состоит из постмитотического, или пресинтетического (G1), синтетического (S) и постсинтетического, или премитотического (G2), периодов. В постмитотическом (пресинтетическом, G1) периоде дочерняя клетка достигает размеров и структуры материнской, для чего в ней происходит биосинтез РНК и белков цитоплазмы и ядра. Кроме того, в ней синтезируются РНК и белки, необходимые для синтеза ДНК в следующем периоде. В синтетическом (S) периоде происходит удвоение (редупликация) ДНК. В постсинтетическом (премитотическом, G2) периоде клетка готовится к митозу, в ней происходит синтез РНК и белков (тубулинов) веретена деления, накопление энергии, необходимой для митоза. Вышеописанный жизненный цикл характерен для популяции клеток, которые непрерывно делятся (митотические клетки). Их жизненный цикл равен митотическому циклу.

Кроме того, в организме есть клетки, которые временно или постоянно находятся вне митотического цикла (в G0-периоде, характеризуемом как состояние репродуктивного покоя). Эти клетки можно разделить на условно постмитотические и постмитотические.

Условно постмитотические – это клетки, которые после деления растут, дифференцируются, выполняют в органах специфические функции, но в случае необходимости (при повреждении данного органа) восстанавливают свою способность к размножению (клетки печени). К ним можно отнести и стволовые клетки (в эпителии, красном костном мозге), которые после деления длительно не меняют своих морфологических свойств, хранят генетическую информацию и способность к делению.

Постмитотические – высокоспециализированные клетки, которые растут, дифференцируются, выполняют свои специфические функции и в таком состоянии существуют до смерти, никогда не делясь и постоянно находясь в G0-периоде (высокоспециализированные клетки миокарда – кардиомиоциты, мозга – нейроны). Продолжительность жизни этих клеток приближается к продолжительности жизни целого организма.

Молодые клетки растут и дифференцируются. Рост клетки означает увеличение размеров ее цитоплазмы и ядра, числа органелл. Дифференцировка подразумевает морфофункциональную специализацию клетки, т.е. увеличение числа определенных органелл общего назначения, или появление органоидов

28

специального назначения, необходимых для выполнения клет-

кой специальных функций.

Основные проявления жизнедеятельности клетки –

определенная структурная организация, постоянный обмен веществ и энергии с окружающей средой, раздражимость и воз-

будимость, движение, способность к самовоспроизведению.

Определенная структурная организация – закономерное распределение в пространстве всех макромолекул, глобул, мембран, органелл и включений клетки. Это необходимое условие

для ее нормального существования и функционирования. Обмен веществ в клетке включает в себя процессы ассими-

ляции (синтеза) и диссимиляции (распад веществ с извлечением энергии химических связей), необходимые как для восстановления изношенных поврежденных структур клетки, так и для образования веществ, которые производятся и выделяются клеткой на экспорт, для нужд организма. Этот процесс называется секрецией.

Все описанные выше структурные компоненты цитоплазмы и ядра взаимосвязаны и взаимодействуют в процессе жизнедеятельности клетки. Например, при биосинтезе белка на экспорт (секреторные белки) через цитолемму внутрь клетки поступают необходимые исходные вещества (аминокислоты). В ядре в результате транскрипции образуется информационная РНК, которая поступает в цитоплазму и несет информацию о строении будущего белка. Сюда же из ядрышек доставляются субъединицы рибосом, а транспортные РНК приносят аминокислоты. На рибосомах гранулярной цитоплазматической сети происходит биосинтез белка, и образующиеся молекулы поступают внутрь цистерн и каналов этой сети, где формируется его вторичная и третичная структура. Затем белки транспортируются в комплекс Гольджи. Там происходит дозревание (связывание белков с углеводами и липидами), накопление и упаковка секрета в мембраны, образование крупных вакуолей и гранул секрета. Последние накапливаются в апикальной (для экзокринных) или базальной (для эндокринных) частях клетки, а затем секрет выделяется из них через цитолемму путем экзоцитоза. Энергию, необходимую для синтетических процессов, поставляют митохондрии. Микротрубочки и микрофиламенты цитоскелета обеспечивают перемещение в цитоплазме органелл и транспорт веществ. Изнашивающиеся в ходе этих процессов органеллы разрушаются лизосомами, а вместо них формируются новые. Таким образом, большинство структур-

29

ных компонентов клетки принимают участие и взаимодействуют между собой в процессе биосинтеза белка. При этом клетка функционирует как единое целое.

В синтезе небелковых веществ (углеводы, липиды) также участвуют ДНК ядра, информационная РНК, свободные рибосомы, на которых образуются ферменты биосинтеза небелковых веществ. Эти ферменты поступают в гладкую эндоплазматическую сеть, где участвуют в синтезе углеводов и липидов, а затем направляются в комплекс Гольджи, где упаковываются в секреторные гранулы и далее выводятся наружу путем экзоцитоза.

Способность к самовоспроизведению (клеточная регенера-

ция) описана ранее.

Внутриклеточная регенерация – восстановление, замена поврежденных структурных компонентов клетки. В процессе ее жизнедеятельности происходит постоянное изнашивание и обновление структурных компонентов: в течение нескольких часов или дней полностью обновляются все молекулы биополимеров, из которых построены мембраны и немембранные компоненты клетки. Постепенно все структурные компоненты клетки замещаются новыми. Это особенно важно для клеток, которые не способны размножаться (нервные клетки, клетки сердца). Их структурные компоненты на протяжении долгой жизни могут обновляться многократно. Даже в относительно стабильных молекулах ДНК происходит постоянная замена

(репарация) поврежденных фрагментов.

Адаптация клеток – процесс приспособления клеток к изменяющимся условиям существования. Например, мышечные клетки приспосабливаются к повышенной физической нагрузке, нервные клетки – к повышенной умственной нагрузке, клетки печени и почек – к воздействию токсических веществ, клетки кожи – к повышенному ультрафиолетовому облучению. При этом в клетках усиливаются процессы биосинтеза белка, увеличиваются размеры ядра, ядрышек, площадь поверхности ядерной оболочки, интенсивность транспортных и всех необходимых обменных процессов. Увеличиваются также количество и размеры органелл, необходимых для усиленной работы клетки. Все это приводит к увеличению размеров самой клетки (гипертрофия). Адаптация клеток имеет важнейшее значение для сохранения их жизнедеятельности в измененных условиях существования, в том числе и при различных заболеваниях организма.

30