Фибриллярные структуры клетки (микрофиламенты, микрофибриллы)

Микрофиламенты (microfilamenti) — нитчатые структу­ры диаметром около 6 нм, состоят из сократительных белков актина, миозина, тропомиозина, альфа-актинина; распола­гаются под цитолеммой, образуя примембранный слой. При сокращении микрофиламентов цитолемма втягивается внутрь клетки при фагоцитозе, пиноцитозе и при телофазе во время разделения вновь образующихся клеток. Микрофила­менты участвуют в выбрасывании псевдоподий при амебо­видном движении клеток.

Функции микрофиламентов:

1) образуют цитоскелет;

2) участвуют во внутриклеточном движении (перемещении митохондрий, рибосом, вакуолей, втягивании цитолеммы при фагоцитозе);

3) участвуют в амебовидном движении клеток.

Микрофибриллы (microfibrillae) — нитчатые структуры диаметром около 10 нм, состоят из фибриллярных белков. Эти белки в клетках различных тканей неодинаковы. Фи­бриллярными белками в эпителиальных тканях являются ке­ратины, в фибробластах соединительной ткани — виментин, в клетках гладкой мышечной ткани — десмин.

Функциональное значение микрофибрилл (промежуточ­ных филаментов):

1) образуют скелет клетки;

2) по характеру фибриллярного белка можно определить, из какой ткани раз­вилась опухоль. Например, если в опухоли обнаружен кера­тин, значит, она образовалась из эпителиальной ткани; если обнаружен виментин — из соединительной ткани, и т. д.

Реснички (cilii) — специальные органеллы движения представляют собой выросты эпителиальных клеток высо­той 5-10 мкм, диаметром около 300 нм. В основе ресничек находится аксонема (filamenta axialis), состоящая из 9 пар пе­риферических и 1 пары центральных микротубул (2×9+2), прикрепляющихся к базальному тельцу (видоизмененной центриоли). Аксонема снаружи покрыта цитолеммой.

Функции ресничек: осуществляют движения колебатель­ные, круговые, крючкообразные. Благодаря движению рес­ничек эпителия дыхательных путей очищается поверхность слизистой оболочки от посторонних частиц и слизи. Однако под воздействием вдыхаемого курильщиками дыма реснич­ки склеиваются, и прекращается удаление микроорганиз­мов, частиц пыли и т. п. с поверхности слизистой оболочки трахеи и бронхов, в результате чего развивается хрониче­ский бронхит.

Жгутики (flagellum) — выросты клеток длиной до 150 мкм. В основе их также лежит аксонема, покрытая цито­леммой и прикрепляющаяся к базальному тельцу. Толщина аксонемы и базального тельца жгутиков и ресничек равна 200 нм. Жгутики содержатся в сперматозоидах.

Функции жгутиков: благодаря колебаниям жгутиков клет­ки движутся в жидкости.

Микроворсинки — выросты цитоплазмы клеток длиной около 1 мкм, диаметром около 100 нм; покрыты цитолеммой, в их основе имеются пучки микрофиламентов.

Функции микроворсинок:

1) увеличивают поверхность клеток;

2) в кишечном и почечном эпителии осуществляют всасывающую функцию.

Включения цитоплазмы (inclusiones cytoplasmae) — непостоянные компоненты клеток, возникающие и исчезаю­щие в зависимости от клеточного метаболизма.

Классификация включений. Включения делятся на тро­фические (белковые, углеводные, липидные), секреторные, экскреторные (продукты, подлежащие удалению из клетки и организма), пигментные, которые подразделяются на экзо­генные (частицы пыли, каротин, красители) и эндогенные (гемоглобин, миоглобин, липофусцин, гемосидерин, мела­нин, липохромы, билирубин).

ЛЕКЦИЯ 2

ЯДРО

Ядро (nucleus) имеет различную форму, чаще — округлую, овальную, реже — палочковидную или неправильную. Форма ядра иногда зависит от формы клетки. Так, например, у глад­ких миоцитов, которые имеют веретеновидную форму, ядро палочковидной формы. Обычно в круглых клетках или куби­ческих эпителиоцитах ядра имеют круглую форму. Напри­мер, лимфоциты крови имеют круглую форму и ядра у них обычно круглые. Но часто форма ядра не зависит от формы клетки. Например, в гранулоцитах крови, которые имеют круглую форму, ядро может иметь сегментированную или па­лочковидную форму. В нейтрофильных гранулоцитах крови женщины ядра могут иметь спутник (сателлит), который представляет собой половой хроматин, имеющий форму ба­рабанной палочки.

Что же такое ядро? Ядро — это система генетической де­терминации и регуляции синтеза белка. Что такое детерми­нация? Детерминация — это предопределение или, проще го­воря, программа, по которой развивается клетка.

Таким образом, ядро выполняет 2 функции:

1) хранение и передача наследственной информации дочерним клеткам;

2) регуляция синтеза белка.

Как осуществляется 1-я функция? Хранение наследствен­ной информации обеспечивается тем, что в ДНК хромосом имеются репарационные ферменты, которые восстанавли­вают хромосомы ядра после их повреждения. Как передается наследственная информация дочерним клеткам? Во время интерфазы к каждой молекуле ДНК пристраивается ее точная копия. Затем эти совершенно одинаковые копии ДНК равномерно распределяются между дочерними клетками при делении материнской клетки. Как же ядро участвует в регуляции синтеза белка? Синтез белка регулируется благо­даря тому, что на поверхности ДНК хромосом транскрибиру­ются все виды РНК: информационные, рибосомные и транс­портные, которые участвуют в синтезе белка на поверхности гранулярной ЭПС цитоплазмы клеток. В том случае, если уве­личивается количество всех этих РНК и рибосом, повышает­ся синтез белка. Если же в ядре вырабатывается малое коли­чество РНК, то синтез белка снижается. Так ядро участвует в регуляции белкового синтеза.

Строение ядра. Ядро включает хроматин (chromatinum), ядрышко (nucleolus), ядерную оболочку (nucleolemma) и ядерный сок (nucleoplasma). Хроматин интерфазного ядра называется так потому, что он способен воспринимать (окра­шиваться) основные красители. Что же такое хроматин? Хро­матин — это деспирализованные хромосомы, т. е. хромосо­мы, утратившие свою обычную форму. В том случае, если участок ДНК хромосомы наиболее диспергирован, то в этом месте образуется рыхлый хроматин, называемый эухроматином (euchromatinum), который обладает высокой активно­стью. В том случае, если участок ДНК хромосом не дисперги­рован, то он имеет уплотненную структуру. Такой хроматин называется гетерохроматином (heterochromatinum). Гетерохроматин не активен.

Почему же эухроматин активен, а гетерохроматин не ак­тивен? Активность эухроматина объясняется тем, что фи­бриллы ДНК хромосом при этом деспирализованы, т. е. гены, на поверхности которых происходит транскрипция РНК, от­крыты. Благодаря этому создаются условия для транскрип­ции РНК. В том случае, если ДНК хромосомы не деспирализована, то гены здесь закрыты, что затрудняет транскрипцию РНК с их поверхности. Следовательно, уменьшается количе­ство РНК и снижается синтез белка. Вот почему гетерохрома­тин не активен.

Фибриллы ДНК. И в состав митотических хромосом, и в хроматин интерфазного ядра входят нити — примитив­ные, или элементарные, фибриллы, которые состоят из ДНК в количестве 1 единицы, гистоновых и негистоновых белков, составляющих 1,3 единицы, и РНК, количество которых рав­но 0,2 единицы. Длина фибрилл может составлять от нес­кольких сот микрометров до 7 см. Суммарная длина фибрилл всех хромосом ядра человека составляет 170 см. В фибриллах имеются участки независимой репликации хромосом, называемые репликонами; их длина составляет 30 мкм, общее ко­личество в геноме человека — до 50 000.

Гистоновые белки образуют блоки, каждый из которых состоит из 8 молекул. Эти блоки называются нуклеосомами. На нуклеосомы навертывается фибрилла ДНК толщиной 5 нм, толщина нуклеосомы вместе с фибриллой составляет 10 нм. При дальнейшей спирализации этой уже спирализованной фибриллы ее толщина достигает 20 нм. Среди белков хроматина гистоновые белки составляют до 80 %. Их функ­ции: 1) особая укладка ДНК хромосом и 2) регуляция синтеза белка. Регуляция синтеза белка осуществляется через уклад­ку фибрилл ДНК хромосом. Если при укладке фибрилл ДНК имеет место резкая конденсация, то образуется плотный хро­матин (гетерохроматин), который, как уже известно, не акти­вен; если при укладке фибрилл они слабо спирализуются, то образуется активный эухроматин. Функция негистоновых белков заключается в том, что они формируют ядерный матрикс.

Количество РНК в составе хроматина составляет 0,2 еди­ницы. Это нити РНК транскрибированные с поверхности ге­нов ДНК. Они называются перихроматиновыми. Имеются РНК в виде гранул. Они могут быть интерхроматиновыми и перихроматиновыми; представляют собой соединение иРНК с белками и называются информосомами.

Ядрышки. Ядрышек в ядре — от 1 до 3. Формируются ядрышки на поверхности ядрышковых организаторов хро­мосом. Если ядрышковые организаторы сконцентрированы в одном месте, то в ядре будет только одно ядрышко, а если в нескольких местах — несколько ядрышек. В том месте, где находятся ядрышковые организаторы хромосом, имеется несколько сот генов, на поверхности которых транскрибиру­ются рибосомные РНК, из которых затем формируются су­бъединицы рибосом. Ядрышки состоят из 2 компонентов: 1) фибриллярного, расположенного в центре, и 2) гранулярного, локализованного на поверхности. Фибриллярный компо­нент — это фибриллы РНК, транскрибированные с поверхно­сти генов ядрышковых организаторов. Гранулярный компо­нент — это субъединицы рибосом. Субъединицы рибосом образуются в результате комплексирования (соединения) рибосомных белков с фибриллами рибосомных РНК. Рибосом­ные белки синтезируются на поверхности гранулярной ЭПС цитоплазмы и через ядерные поры поступают в ядро, где сое­диняются с рРНК. Образовавшиеся субъединицы рибосом через ядерные поры транспортируются в цитоплазму клет­ки, где объединяются в рибосомы, которые оседают на по­верхности гранулярной ЭПС или же образуют скопления в цитоплазме. Такие объединения рибосом в цитоплазме на­зываются полисомами. Таким образом, регуляцию синтеза белка в клетке осуществляет ядрышко, так как на рибосомах, образующихся в ядрышках, происходит синтез белков.

Ядрышки могут исчезать и в норме, и при патологии. Ког­да ядрышки исчезают в норме? В норме ядрышки исчезают в том случае, когда приходит период деления клетки и начи­нается спирализация фибрилл ДНК, в том числе и в области ядрышковых организаторов; тогда закрываются гены ядрышковых организаторов, на которых транскрибируются рРНК, прекращается транскрипция рРНК и ядрышко исчеза­ет. Это может быть и в том случае, если на клетку воздейству­ют какие-то токсические вещества. Перед исчезновением ядрышко расчленяется, т. е. обособляется внутренняя фи­бриллярная часть от внешней гранулярной части. Затем ис­чезает гранулярный компонент ядрышка, т. е. субъединицы рибосом, и исчезает фибриллярный компонент, т. е. молеку­лы рРНК. Таким образом, чем больше размеры ядрышек или больше их количество, тем интенсивнее образуются субъеди­ницы рибосом и повышается синтез белка в клетке.

Ядерная оболочка. Ядерная оболочка (nucleolemma) со­стоит из 2 мембран: наружной (membrana nuclearis externa) и внутренней (membrana nuclearis interna). Между мембрана­ми имеется пространство (cysterna nucleolemmae).

Наружная ядерная мембрана покрыта рибосомами и тесно связана с ЭПС. Нередко можно видеть, как наружная мембрана продолжается в канальцы гранулярной ЭПС.

Внутренняя ядерная мембрана связана с хроматином и фибриллярным ядерным компонентом. В нуклеолемме име­ются ядерные поры (pori nuclearis). В их состав входят поровые комплексы (complexus pori), в составе которых имеются: отверстие поры (annulus pori) диаметром около 90 мкм, грану­лы поры (granula pori) и мембрана поры (membrana pori).

Отверстие поры образуется в результате слияния на­ружной и внутренней мембран. Гранулы поры располагают­ся в 3 ряда, по 8 гранул в каждом ряду. Размеры гранул — около 25 нм. Гранулы каждого ряда располагаются по пери­ферии порового отверстия. Наружный слой гранул обращен в сторону цитоплазмы, внутренний слой — в сторону карио­плазмы, а третий слой размещен между наружным и внутренним. От гранул отходят фибриллы. Эти фибриллы сое­диняются с центральной гранулой, образуя мембрану поры (membrana pori).

Функция ядерных пор заключается в том, что через них происходит обмен веществ между кариоплазмой и цитоплаз­мой клетки. Чем больше пор в нуклеолемме, тем активнее ядро. Если активность ядра снижена, то количество пор уме­ньшается; если синтетическая активность ядра близка к ну­лю, то поры в ядре отсутствуют. Например, поры отсутствуют в кариолемме ядра сперматозоида.

При различных неблагоприятных воздействиях в ядре мо­гут наблюдаться патологические изменения: пикноз — коагу­ляция хроматина ядра, кариорексис — распад ядра на части, может быть отечность перинуклеарного пространства.

КЛЕТОЧНЫЙ ЦИКЛ

Клеточный цикл (cyclus cellularis) — это период от одного до другого деления клетки или же период от деления клетки до ее гибели. Клеточный цикл разделяется на 4 периода.

Пер­вый период — митотический;

2-й— постмитотический, или пресинтетический, он обозначается буквой G1;

3-й — синте­тический, он обозначается буквой S;

4-й — постсинтетиче­ский, или премитотический, он обозначается буквой G₂,

а митотический период — буквой М.

После митоза наступает очередной период G1. В этот период дочерняя клетка по сво­ей массе в 2 раза меньше материнской клетки. В этой клетке в 2 раза меньше белка, ДНК и хромосом, т. е. в норме хромо­сом в ней должно быть 2п и ДНК — 2с.

Что же происходит в периоде G1? В это время на поверх­ности ДНК происходит транскрипция РНК, которые прини­мают участие в синтезе белков. За счет белков увеличивает­ся масса дочерней клетки. В это время синтезируются пред­шественники ДНК и ферменты, участвующие в синтезе ДНК и предшественников ДНК. Основные процессы в пе­риоде G1 — синтез белков и рецепторов клетки. Затем наступает период S. В течение этого периода происходит репликация ДНК хромосом. В результате этого к концу пе­риода S содержание ДНК составляет 4с. Но хромосом будет 2п, хотя фактически их тоже будет 4п, но ДНК хромосом в этот период так взаимно переплетены, что каждая се­стринская хромосома в материнской хромосоме пока не видна. По мере того как в результате синтеза ДНК увеличи­вается их количество и повышается транскрипция рибосомных, информационных и транспортных РНК, естествен­но возрастает и синтез белков. В это время может происхо­дить удвоение центриолей в клетках. Таким образом, клетка из периода S вступает в период G₂. В начале периода G₂ про­должается активный процесс транскрипции различных РНК и процесс синтеза белков, главным образом белков-тубулинов, которые необходимы для веретена деления. Может про­исходить удвоение центриолей. В митохондриях интенсивно синтезируется АТФ, которая является источником энергии, а энергия необходима для митотического деления клетки. После периода G₂ клетка вступает в митотический период.

Некоторые клетки могут выходить из клеточного цикла. Выход клетки из клеточного цикла обозначается буквой G0. Клетка, вошедшая в этот период, утрачивает способность к митозу. Причем одни клетки утрачивают способность к ми­тозу временно, другие — постоянно.

В том случае, если клетка временно утрачивает способ­ность к митотическому делению, она подвергается началь­ной дифференцировке. При этом дифференцированная клет­ка специализируется для выполнения определенной функ­ции. После начальной дифференцировки эта клетка способ­на возвратиться в клеточный цикл и вступить в период Gj и после прохождения периода S и периода G₂ подвергнуться митотическому делению.

Где в организме находятся клетки в периоде G₀? Такие клетки находятся в печени. Но в случае, если печень повреж­дена или часть ее удалена оперативным путем, тогда все клетки, подвергшиеся начальной дифференцировке, возвра­щаются в клеточный цикл, и за счет их деления происходит быстрое восстановление паренхимных клеток печени.

Стволовые клетки также находятся в периоде G₀, но, ког­да стволовая клетка начинает делиться, она проходит все пе­риоды интерфазы: G1, S, G₂.

Те клетки, которые окончательно утрачивают способность к митотическому делению, подвергаются сначала начальной дифференцировке и выполняют определенные функции, а затем окончательной дифференцировке. При окончатель­ной дифференцировке клетка не может возвратиться в кле­точный цикл и в конечном итоге погибает. Где в организме находятся такие клетки? Во-первых, это клетки крови. Гранулоциты крови, подвергшиеся дифференцировке, функциони­руют в течение 8 суток, а затем погибают. Эритроциты крови функционируют в течение 120 суток, потом также погибают (в селезенке). Во-вторых, это клетки эпидермиса кожи. Клет­ки эпидермиса подвергаются сначала начальной, потом окончательной дифференцировке, в результате которой они превращаются в роговые чешуйки, которые затем слущиваются с поверхности эпидермиса. В эпидермисе кожи клетки могут находиться в периоде G₀, периоде G1, периоде G₂ и в периоде S.

Ткани с часто делящимися клетками поражаются сильнее тканей с редко делящимися клетками, потому что ряд хими­ческих и физических факторов разрушают микротубулы ве­ретена деления.

МИТОЗ

Митоз принципиально отличается от прямого деления или амитоза тем, что во время митоза происходит равномерное ра­спределение хромосомного материала между дочерними клет­ками. Митоз делится на 4 фазы. 1-я фаза называется профа­зой, 2-я — метафазой, 3-я — анафазой, 4-я — телофазой.

Если в клетке имеется половинный (гаплоидный) набор хромосом, составляющий 23 хромосомы (половые клетки), то такой набор обозначается символом In хромосом и 1с ДНК, если диплоидный — 2п хромосом и 2с ДНК (соматические клетки сразу после митотического деления), анеуплоидный набор хромосом — в аномальных клетках.

Профаза. Профаза делится на раннюю и позднюю. Во время ранней профазы происходит спирализация хромо­сом, и они становятся видны в виде тонких нитей и образуют плотный клубок, т. е. образуется фигура плотного клубка. При наступлении поздней профазы хромосомы еще больше спирализуются, в результате чего закрываются гены ядрышковых организаторов хромосом. Поэтому прекращаются транскрипция рРНК и образование субъединиц хромосом, и ядрышко исчезает. Одновременно с этим происходит фраг­ментация ядерной оболочки. Фрагменты ядерной оболочки свертываются в небольшие вакуоли. В цитоплазме уменьша­ется количество гранулярной ЭПС. Цистерны гранулярной ЭПС фрагментируются на более мелкие структуры. Количе­ство рибосом на поверхности мембран ЭПС резко уменьша­ется. Это приводит к уменьшению синтеза белков на 75 %. К этому моменту происходит удвоение клеточного центра. Образовавшиеся 2 клеточных центра начинают расходиться к полюсам. Каждый из вновь образовавшихся клеточных центров состоит из 2 центриолей: материнской и дочерней.

С участием клеточных центров начинает формироваться ве­ретено деления, которое состоит из микротубул. Хромосомы продолжают спирализоваться, и в результате образуется рыхлый клубок хромосом, расположенный в цитоплазме. Та­ким образом, поздняя профаза характеризуется рыхлым клубком хромосом.

Метафаза. Во время метафазы становятся видимыми хроматиды материнских хромосом. Материнские хромосомы выстраиваются в плоскости экватора. Если смотреть на эти хромосомы со стороны экватора клетки, то они воспринима­ются как экваториальная пластинка (lamina equatorialis). В том случае, если смотреть на эту же пластинку со стороны полюса, то она воспринимается как материнская звезда (monastr). Во время метафазы завершается формирование веретена деления. В веретене деления видны 2 разновидно­сти микротубул. Одни микротубулы формируются от клеточ­ного центра, т. е. от центриоли, и называются центриолярными микротубулами (microtubuli cenriolaris). Другие микротубулы начинают формироваться от кинетохор хромо­сом. Что такое кинетохоры? В области первичных перетяжек хромосом имеются так называемые кинетохоры. Эти кинето­хоры обладают способностью индуцировать самосборку ми­кротубул. Вот отсюда и начинаются микротубулы, которые растут в сторону клеточных центров. Таким образом, концы кинетохорных микротубул заходят между концами центрио- лярных микротубул.

Анафаза. Во время анафазы происходит одновременное отделение дочерних хромосом (хроматид), которые начинают двигаться одни к одному, другие к другому полюсу. При этом появляется двойная звезда, т. е. 2 дочерние звезды (diastr). Движение звезд осуществляется благодаря веретену деления и тому, что сами полюса клетки несколько удаляются друг от друга.

Механизм, движения дочерних звезд. Это движение обеспечивается тем, что концы кинетохорных микротубул скользят вдоль концов центриолярных микротубул и тянут хроматиды дочерних звезд в сторону полюсов.

Телофаза. Во время телофазы происходит остановка движения дочерних звезд и начинают формироваться ядра. Хромосомы подвергаются деспирализации, вокруг хромо­сом начинает формироваться ядерная оболочка (нуклеолемма). Поскольку деспирализации подвергаются фибрил­лы ДНК хромосом, постольку начинается транскрипция

РНК на открывшихся генах. Так как происходит деспирализация фибрилл ДНК хромосом, в области ядрышковых орга­низаторов начинают транскрибироваться рРНК в виде тон­ких нитей, т. е. формируется фибриллярный аппарат ядрышка. Затем к фибриллам рРНК транспортируются ри- босомные белки, которые комплексируются с рРНК, в ре­зультате чего формируются субъединицы рибосом, т. е. об­разуется гранулярный компонент ядрышка. Это происхо­дит уже в поздней телофазе. Цитотомия, т. е. образование перетяжки. При образовании перетяжки по экватору проис­ходит впячивание цитолеммы. Механизм впячивания сле­дующий. По экватору располагаются тонофиламенты, со­стоящие из сократительных белков. Вот эти тонофиламен­ты и втягивают цитолемму. Затем происходит отделение цитолеммы одной дочерней клетки от другой такой же до­черней клетки. Так, в результате митоза, формируются но­вые дочерние клетки. Дочерние клетки в 2 раза меньше по массе в сравнении с материнской. В них также меньше ко­личество ДНК — соответствует 2с, и вдвое меньше количе­ство хромосом — соответствует 2п. Так, митотическим деле­нием, заканчивается клеточный цикл.

Биологическое значение митоза заключается в том, что за счет деления происходит рост организма, физиологическая и репаративная регенерация клеток, тканей и органов.