цитология гистология и эмбриология александровская козлов радостина
.pdf
несет специфический тринуклеотид, способный прикрепляться к специфическому тринуклеотиду (кодону) на молекуле и-РНК. Последовательность кодонов на молекуле и- РНК определяет последовательность прикрепления т-РНК и, следовательно, последовательность чередования аминокислот в формирующейся полипептидной цепочке.
Рибосома создает пространственные отношения, необходимые для взаимодействия т- РНК с и-РНК, и обеспечивает формирование полипептидных связей между аминокислотами, которое катализируется активным участком одного из рибосомальных белков.
Эндоплазматическая сеть - система трубочек и уплощенных расширений, называемых цистернами, создающими в совокупности мембранную сеть в цитоплазме клетки. Эндоплазматическая сеть участвует в процессах синтеза, выполняет транспортную функцию в клетке, содержит ферменты и их субстраты, играющие активную роль в обмене веществ клетки. Различают два типа эндоплазматической сети: гранулярную, к наружной поверхности которой прикреплены рибосомы, и агранулярную без рибосом (рис. 16).
Цистерны г р а н у л я р н о й э н д о п л а з м а т и ч е с к о й с е т и особенно многочисленны в клетках, синтезирующих большое количество белка в качестве секреторного продукта. В таких клетках цистерны могут располагаться параллельными скоплениями или образовывать концентрические системы. В таких скоплениях просвет цистерн очень узкий, расстояние между ними всего лишь
Рис. 16. Электронная микрофотография агранулярной (А) эндоплазматической сети клеток печени хомяка (по Картези и Лонду) и гранулярной (Б) эндоплазматической сети клетки поджелудочной железы.
25
Рис. 16, а. Схема гипотезы прохождения белков через мембрану цитоплазматической сети:
1 - сигнальный ко дон; 2 - и-РНК; 3 - сигнальный пептид; 4 - полость цистерны; 5 - сигнальная пептидаза; 6 - рецепторный белок.
35 нм. На тангенциальных срезах цистерн гранулярной эндоплазматической сети видно, что рибосомы, фиксированные на ее мембранах, также объединены в полисомы и расположены в виде розеток, спиралей, петель на внешней поверхности мембран.
Для объяснения прохождения синтезированных белков через мембрану в каналец эндоплазматической сети создана следующая гипотеза. Информационная РНК для секреторных белков содержит последовательность сигнальных кодонов. Синтез сигнальных пептидов происходит на свободных рибосомах. Когда сигнальный пептид появляется из канала на большей субъединице, рибосома связывается с рецепторными белками для рибосом на мембране эндоплазматической сети. Такими белками являются, по-видимому, рибофорин I и рибофорин II, отсутствующие на мембранах гладкой эндоплазматической сети. Рецепторные белки при этом сближаются и образуется трансмембранный канал, расположенный так, что он является продолжением канальца на большой субъединице рибосомы. В результате удлинения полипептидной цепочки сигнальный полипептид продвигается внутрь цистерны и отщепляется сигнальной пептидазой, локализованной на внутренней поверхности мембраны. Полипептидная цепочка синтезирующегося секреторного белка продолжает продвигаться внутрь цистерны. Когда синтез белковой молекулы заканчивается, рибосома отделяется от мембраны, а каналы облитерируются (рис. 16, а).
А г р а н у л я |
р н а я (гладкая) э н д о п л а з м а т и ч е с к а я с е т ь обычно не |
образует цистерн, |
а состоит из анастомозирующих трубочек. Она связана с синтезом и |
расщеплением гликогена,
26
с метаболизмом липидов, в частности, с синтезом стероидных гормонов. Поэтому гладкая эндоплазматическая сеть очень развита в клетках, продуцирующих стероидные гормоны (интерстициальных клетках семенника, клетках коры надпочечников, желтого тела яичников). Введение экспериментальным животным барбитуратов, инсектицидов, канцерогенов и других препаратов вызывает гипертрофию гладкой эндоплазматической
сети в клетках печени. Этот адаптивный ответ печеночных клеток, повышающих свою способность метаболизировать и удалять лекарства, лежит в основе толерантности к лекарствам при их продолжительном употреблении. Таким образом, агранулярная эндоплазматическая сеть участвует в обезвреживающей функции печени.
М и т о х о н д р и и присутствуют почти во всех эукариотических клетках. Их главная функция - обеспечение химической энергией, необходимой для биосинтетической и моторной активности клеток. Продукты расщепления углеводов, поступающие в митохондрию в виде пируватов, аминокислоты и жирные кислоты окисляются в митохондриях до С02 и H2О. Освобождающаяся прж этом энергия используется для синтеза аденозинтрифосфата (АТФ) из аденозиндифосфата (АДФ) и неорганического фосфата. Реакция формирования АТФ называется фосфорилированием, АТФ обеспечивает энергией почти все жизненные процессы. При этом АТФ расщепляется на фосфат и АДФ. Последний вновь поглощается митохондрией и фосфорилизуется. Для обеспечения процессов окисления, фосфорилирования и других реакций в митохондриях присутствует более 50 ферментов.
На светооптическом уровне митохондрии выглядят как нити или короткие палочки, реже - зерна. Их средняя длина 2 - 6 мкм, ширина 0,2 мкм. Обычно они распределены по всей цитоплазме, но иногда могут быть сконцентрированы на тех участках клетки, где потребность в энергии наибольшая. Например, вблизи аппарата движения (рис. 17).
Рис. 17. Митохондрии клеток призматического эпителия кишечника:
1 - ядро: 2 - щетковидная каемка; 3 - митохондрии; 4 - базальная мембрана
Рис. 18. Схема общей организации митохондрии:
1 - внешняя мембрана; 2 - внутренняя мембрана; 3 - впячивание внутренней мембраны - кристы; 4 - места выпячиваний, вид с поверхности.
27
Рис. 19. Электронная микрофотография среза митохондрии поджелудочной железы.
Митохондрии обладают характерной у л ь т р а с т р у к т у р о й . Снаружи митохондрия окружена гладкоконтурной наружной митохондриальной м е м б р а н о й толщиной 7 нм. На расстоянии 8 - 10 нм от наружной лежит внутренняя митохондриальная мембрана. Она имеет многочисленные складки - митохондриальные к р и с т ы , увеличивающие площадь внутренней мембраны. Между наружной и внутренней мембранами располагается мембранное пространство низкой электронной плотности. Пространство, ограниченное внутренней митохондриальной мембраной, заполнено гомогенным или тонкозернистым м и т о х о н д р и а л ь н ы м м а т р и к с о м . В матриксе локализованы ферменты цикла трикарбоновых кислот, в котором пируваты, а также продукты расщепления белков и липидов окисляются до СO2 и H2O. Внутренняя мембрана митохондрий содержит ферменты дыхательной цепи. На внутренней мембране митохондрий располагаются м и т о х о н д р и а л ь н ы е с у б ъ е д и н и ц ы или э л е м е н т а р н ы е ч а с т и ц ы . Они представляют собой сферические частицы диаметром 9 нм, связанные с мембраной стеблем шириной 3 - 4 нм и длиной 5 нм. В субъединицах имеются наборы ферментов, ответственные за фосфорилирование (рис. 18, 19, 20).
В матриксе митохондрий расположены м и т о х о н д р и а л ь н ы е г р а н у л ы . Они могут быть свободными или связанными с кристами. Размер их колеблется от 25 до 120 нм в зависимости от типа клеток и их функционального состояния. Высокая плотность обычно скрывает внутреннюю структуру гранул, но на тонких срезах видно, что они разделены очень тонкими септами. Функция
28
гранул до сих пор окончательно не установлена, но полагают, что они являются местами связывания двухвалентных катионов, в частности Ca++, и участвуют, таким образом, в поддержании постоянства содержания их в окружающей митохондрию гиалоплазме.
Митохондрии обладают своими собственными ДНК и РНК. На срезах митохондрий молекулы ДНК выглядят как ветвящиеся нити различной толщины, окруженные более прозрачным участком матрикса. Когда разрушенные митохондрии распределяются по поверхности воды, освобожденная ДНК выглядит, как нить толщиной 4 нм, длиной 5 мм, замкнутая в виде окружности. Циркулярная форма митохондриальной ДНК очень напоминает ДНК вирусов и бактерий. В митохондриальном матриксе присутствуют также частицы рибонуклеопротеида - рибосомы диаметром 10 - 15 нм, информационная и транспортная РНК, а также все необходимые ферменты для синтеза ДНК, РНК и белка. Однако из-за малой информации, заключенной в геноме митохондрий, они не могут синтезировать все свои компоненты и синтез большинства ферментов обеспечивается геномом ядра.
Митохондрии обладают ограниченной продолжительностью существования (полупериод жизни для митохондрии клеток печени 8 дней, сердечной мышцы - 6 дней, нейронов - 31 день). Убыль митохондрий пополняется за счет их деления. При этом от внутренней мембраны митохондрии растет септа, пока не встречается с противоположной стороной внутренней мембраны. В септу концентрически врастает наружная мембрана и происходит разделение митохондрии на две дочерние.
Комплекс Гольджи (пластинчатый комплекс) на препаратах, обработанных азотнокислым серебром или четырехокисью осмия, выглядит как сеть переплетающихся темных линий. В одних
Рис. 20. Электронная микрофотография кристы: митохондрии сердечной мышцы быка (ув. 40000). Видны частицы, переносящие электроны.
29
Рис. 21. Комплекс Гольджи (3) в нервных клетках спинального ганглия. Импрегнация осмием (ув. 400, по Алмазову и Сутулову):
1 - ядро с ядрышком; 2 - цитоплазма.
клетках он локализован вблизи центриолей, в других - окружает ядро, а в эпителиальных клетках обычно располагается между ядром и апикальной поверхностью клетки (рис. 21).
При электронной микроскопии видно, что основным компонентом комплекса Гольджи являются окруженные мембраной уплощенные мешочки, или ц и с т е р н ы , располагающиеся стопкой друг над другом. Цистерны изогнуты так, что в стопке можно различить выпуклую (наружную) и вогнутую (внутреннюю) поверхности (рис. 22). Отдельное скопление цистерн называется диктиосомой. Особенности ультраструктуры комплекса Гольджи связаны с его основной функцией конденсации и выведения секретов. Белковые секреты синтезирутся на рибосомах, связанных с гранулярной эндоплазматической сетью, поступают в канальца сети и транспортируются в зону Гольджи. Цистерны эндоплазматической сети на поверхности, обращенной к комплексу Гольджи, обычно лишены рибосом. Маленькие выпячивания этой поверхности, заполненные белковым секретом, отрываются и образуют т р а н с п о р т н ы е пузырьки, вливающиеся в наружные цистерны диктиосомы. Помимо цистерн и транспортных
пузырьков, |
в |
состав комплекса |
Гольджи входят также к о н д е н с и р у ю щ и е |
в а к у о л и |
и |
с е к р е т о р н ы е |
г р а н у л ы . Согласно наиболее общепринятой в |
настоящее время концепции, участие комплекса Гольджи в процессе секреции заключается в следующем. Транспортные пузырьки, сливаясь, образуют цистерны наружной (ф о р м и р у ю щ е й ) поверхности диктиосомы. По мере формирования новых цистерн старые отодвигаются к внутренней (с о з р е в а ю щ е й )
30
поверхности. Цистерны раздуваются, превращаясь в конденсирующие вакуоли. Последние в результате конденсации их содержимого могут превращаться в секреторные гранулы. Мембраны цистерн по мере продвижения к созревающей поверхности трансформируются, приобретая сходство с плазмолеммой. Поэтому оболочка секреторных гранул легко
сливается с плазмолеммой и секрет поступает в просвет железы. Лизосомы формируются в комплексе Гольджи так же, как секреторные гранулы (рис. 23).
Однако есть другая гипотеза, получившая в настоящее время довольно широкое распространение. По мнению ее сторонников, трубочки и цистерны с гладкой поверхностью, расположенные вблизи созревающей поверхности комплекса Гольджи и дающие реакцию на кислую фосфатазу, представляют собой специализированную систему для передачи кислых гидролаз из гранулярной эндоплазматической сети непосредственно в лизосомы, минуя комплекс Гольджи. Эта система была названа ГЭРЛ (связанный с комплексом Гольджи эндоплазматический ретикулум, от которого формируются лизосомы). Авторы связывают с ГЭРЛ также формирование пероксисом, конденсирующих вакуолей и мембран аутофагосом.
Помимо выведения белковых секретов, комплекс Гольджи принимает участие в синтезе полисахаридов и присоединения их к белку. При синтезе гликопротеинов часть олигосахаридов включается в полипептиды, когда они синтезируются на рибосомах, а другие добавляются позднее к сформированным полипептидным цепям при достижении комплекса Гольджи. Кроме участия в
Рис. 22. Электронная микрофотография комплекса Гольджи (стрелками обозначены мелкие вакуоли).
31
Рис. 23. Слияние лизосомы с плазмолеммой (по Даэмсу).
синтезе углеводной части секреторных гликопротеинов железистых клеток, комплекс Гольджи играет важную роль в синтезе гликопротеинов плазмолеммы (гликокаликса).
Морфология комплекса Гольджи может зависеть от интенсивности процесса секреции. Когда органелла относительно неактивна, цистерны непрерывны, тесно расположены и одинаковой ширины но всей диктиосоме. В активно секретирующих клетках профили цистерн короче, их мембраны часто фенестированы, а ширина просвета увеличивается от формирующей поверхности к созревающей. В области комплекса Гольджи, кроме гладких, встречаются также окаймленные пузырьки. В секреторных клетках их связывают с рециркуляцией мембран от плазмолеммы обратно к комплексу Гольджи.
Лизосомы - тельца диаметром 0,2 - 0,5 мкм, ограниченные мембраной и содержащие около 50 различных ферментов, преимущественно гидролитических, активных при кислых значениях рН (фосфатазы, гликозидазы, протеазы, липазы, сульфатазы и др.). Свое название органелла получила за то, что заключенные в ней ферменты способны вызвать лизис (растворение) всех компонентов клетки. В нормальных условиях этого обычно не происходит, так как заключенные в лизосомах ферменты изолированы от субстратов и соответственно неактивны. Около 20% ферментов встроено в мембрану лизосом и 80% находится в ее мукополисахаридном комплексе (рис. 24).
Функция лизосом заключается во внутриклеточном ферментативном расщеплении как экзогенных веществ, попавших в клетку в результате эндоцитоза, так и эндогенных (удаление органелл и включений в ходе нормального обновления или в ответ на измененную функциональную активность). Иногда может повышаться проницаемость мембран лизосом клетки и их ферменты выходят
32
Рис. 24. Схема функционирования лизосом и внутриклеточного протеолиза (по Де-Дюву):
1 - фагоцитируемая частица; 2 - микромолекулы; 3 - макромолекулы, пиноцитируемые клеткой; 4 - фагосома; б - эргастоплазма; 6 - лизосомы; 7 - слияние лигосомы и фагосомы; 8 - протеолиз частиц и макромолекул (9); 10 - экскреция остатков протеолиза; 11 - протеолиз в лизосоме с образованием фагоцитозной вакуоли.
в цитоплазму. Тогда происходит растворение (аутолиз) клетки. Это наблюдается в условиях эксперимента, патологии и в некоторых случаях нормального функционирования органа (инволюция молочной железы при прекращении лактации, инволюция матки после родов, резорбция хвоста амфибий при метаморфозе и др.) В зависимости от активности лизосом в процессах внутриклеточного переваривания и от характера объекта, подлежащего гидролитическому расщеплению, содержимое лизосом очень разнородно. Различают: первичные лизосомы, фаголизосомы (или гетерофагосомы), аутофагосомы и остаточные, или резидуальные, тельца.
П е р в и ч н ы е л и з о с о м ы - маленькие тельца с гомогенным содержимым. Они представляют собой резерв гидролитических ферментов, еще не участвующих в переваривании.
Ф а г о л и з о с о м ы (гетерофагические вакуоли) образуются от слияния первичной лизосомы с фагосомой. При этом начинается гидролитическое расщепление содержимого последней.
А у т о ф а г о с о м ы возникают при внутриклеточном обновлении или при внутренней перестройке клетки, связанной с уменьшением физиологической активности. Тогда часть органелл удаляется путем аутофагии. Подлежащие разрушению органеллы окружаются мембраной, формируя аутофагическую вакуоль. G последней сливаются лизосомы, изливая свои гидролитические ферменты. Природа мембраны окончательно не выяснена. По-видимому, это мембраны гладкой эндоплазматической сети, или ГЭРЛ.
По мере переваривания содержимого фаголизосомы уменьшаются в размере и превращаются в о с т а т о ч н ы е , или р е з и д у а л ь н ы е , тельца, заполненные гранулами непереваримого
33
материала различного размера и плотности. Остаточные тельца впоследствии могут сливаться в скоплении липофусцина или пигмента изнашивания.
Пероксисомы - окруженные мембраной сферические тельца размером 0,2 - 0,5 мкм. Они несколько напоминают лизосомы, но не содержат гидролитических энзимов. Для пероксисом характерно присутствие в них оксидаз аминокислот и каталазы, фермента, разрушающего перокиси. У тех видов животных, клетки которых содержат уратоксидазу, в пероксисомах печени и почек присутствует кристаллоид (нуклеоид). У видов, лишенных уратоксидазы (птицы, человек), кристаллоид в пероксисомах отсутствует. Строение кристаллоида имеет видовые различия, а также зависит от типа клетки. Например, в пероксисомах печени крыс кристаллоид состоит из полых трубок, расположенных таким образом, что они образуют фигуру пчелиных сотов. В пероксисомах проксимального отдела почек крысы обнаружены нуклеоиды двух типов: цилиндрические включения диаметром 85 - 140 нм и тубулярные кристаллы длиной до 3 мкм. В пероксисомах печени хомячка нуклеопд имеет форму пластинки.
В дополнение к пероксисомам печени и почек в различных видах эпителия обнаружены ограниченные мембраной тельца диаметром 0,15 - 0,25 мкм, лишенные нуклеоида - микропероксисомы.
Каталаза пероксисом: может играть защитную роль, разрушая перекись водорода, токсичную для клеток. Пероксисомы связывают также с метаболизмом холестерина, так как они особенно многочисленны в клетках, участвующих в метаболизме холестерина и синтезе стероидов: печени, надпочечников, яичников и в интерстициальных клетках семенников. Отмечено также, что введение веществ, понижающих уровень холестерина в крови, вызывает резкое увеличение числа пероксисом печени.
Центросома (клеточный центр) расположена вблизи ядра и комплекса Гольджи. На
светооптическом уровне |
она представлена двумя гранулами - |
ц е н т р и о л я м и , |
окруженными светлой |
бесструктурной зоной цитоплазмы - |
ц е н т р о с ф е р о й . |
Последняя переходит в лучистую сферу, то есть в зону радиально расходящихся тончайших, находящихся на грани микроскопического видения фибрилл (рис. 25).
При электронной микроскопии центриоли видны в виде цилиндров 300 - 500 нм длины и 150 нм в диаметре, стенка которых образована девятью группами микротрубочек. Каждая группа содержит 3 микротрубочки по 25 нм в диаметре. В группе микротрубочки располагаются цепочкой, ориентированной к радиусу центриоли под утлом 40°. Микротрубочка, наиболее удаленная от периферии структуры, обозначается как субъединица А, остальные две, соответственно их положению, В и С. Микротрубочка А состоит из 13 тубулиновых протофиламентов. Микротрубочки В и С - из 10 - 11.
Перед делением клетки происходит удвоение центриолей, при этом предсуществующие центриоли не делятся. Дочерняя
34