Текст книги "Цитология и гистология"

3.4 Метаболический аппарат клетки

Цитоплазма (cytoplasma) клетки состоит из гиалоплазмы и обязательных клеточных компонентов: органелл мембранных, немембранных, а также специального назначения (в специализированных клетках) и различных видов непостоянных структур – включений. В гиалоплазме и органеллах проходят все этапы метаболических реакций, посредством которых клетка расщепляет одни малые молекулы и синтезирует другие, необходимые для ее роста и функционирования. Все компоненты цитоплазмы функционально тесно взаимосвязаны и составляют единый метаболический аппарат.

Гиалоплазма (hualoplasma) – клеточный матрикс, цитозоль представляет собой коллоидную систему, включающую в себя различные биополимеры: белки, нуклеиновые кислоты, полисахариды, ферменты, а также нерастворимые и растворимые соли, образующие взвеси и суспензии. В ней могут находиться запасные питательные вещества в виде липидных капель, гранул гликогена, пигменты. Морфобиохимическая организация и функция цитозоля вблизи разных органелл неодинаковы.

Мембранные органеллы. К мембранным органеллам относят эндоплазматическую сеть, аппарат Гольджи, лизосомы, пероксисомы, митохондрии, транспортные вакуоли. Все биологические мембраны представляют собой тонкие (6 … 10 нм) липопротеидные слои (плазмалемма 10 нм). Соотношение их основных компонентов: липиды – около 40 %, белки 60 % и углеводы от 5 % до 10 %.

Эндоплазматическая сеть (ЭПС). Это система внутриклеточных мембран. Существует две разновидности ЭПС – гранулярная, или ГрЭПС (reticulum endoplasmatikum granulosum) и гладкая, или ГлЭПС (reticulum endoplasmatikum nongranulosum), связанные структурно и функционально. Иногда выделяют переходную ЭПС. Толщина мембран от 6 до 7 нм. В ГрЭПС мембраны формируют уплощенные цистерны (с шириной полости более 20 нм), на поверхности которых располагаются многочисленные рибосомы. Мембраны ГлЭПС образуют сетевидную систему трубочек, каналов и пузырьков небольшого диаметра (рисунки 3.5, 3.6).

Рисунок 3.5 – Электронная микрофотография участка клетки ацинуса поджелудочной железы.

На рисунке 3.5 видны параллельно упакованные цистерны гранулярного эндоплазматического ретикулума (эргастоплазмы), на поверхности цистерн находятся рибосомы. Внизу фотографии расположена часть ядра, внешняя мембрана которого также усеяна рибосомами. Наверху рисунка часть митохондрии (1).

а – схема строения гранулярной эндоплазматической сети; б – электронная микрофотография участка среза печеночной клетки: 1 – рибосомы; 2 – мембраны; 3 – внутренние полости мембранных цистерн; 4 – отщепляющиеся мембранные вакуоли, лишенные рибосом.

Рисунок 3.6 – Строение гранулярной эндоплазматической сети

Несмотря на структурную связь Гр и Гл ЭПС их функциональное значение различно.

ГрЭПС с прикрепленными к ней рибосомами обеспечивает синтез и транспорт предшественников белков (секреторных, транспортных, рецепторных, строительных, ферментных, сократительных и других). Кроме того, в ней к белковым молекулам присоединяются углеводные, фосфорные или липидные остатки, образуются дисульфидные мостики, происходит ацетилирование, а также протеолитический процессинг участков белковых молекул и другие их модификации. Часть ГрЭПС находится в прямом контакте с ядерной мембраной.

В ГлЭПС с помощью встроенных в мембраны ферментов (в частности оксидаз) осуществляется детоксикация веществ. ГлЭПС способна накапливать и транспортировать ионы, служить резервуаром для питательных веществ; на её мембранах протекает синтез липидов, а также гидролитическое расщепление гликогена. В ГлЭПС коры надпочечников синтезируются предшественники стероидных гормонов ЭПС (особенно гладкая) – весьма лабильная структура, способная к глубоким перестройка (показано в экспериментах на клетках печени) ЭПС компактментализирует синтетические процессы, протекающие в цитоплазме, и участвует в транспорте веществ из одной части клетки в другую, а также за пределы клетки.

Аппарат Гольджи (АГ). Пластинчатый комплекс наряду с ЭПС и рибосомами входит в состав синтетического аппарата клетки. АГ представлен стопками уплощенных цистерн, вакуолями, или секреторными пузырьками, различного диаметра и транспортными пузырьками. Комплекс указанных элементов, имеющих мембранное строение, называется диктиосомой.

АГ локализуется между ГрЭПС и плазматической мембраной (рисунки 3.7, 3.8, 3.9).

А – нервные клетки спинного мозга, импрегнация серебром по методу Гольджи: 1 – ядро; 2 – ядрышко; 3 – пластинчатый комплекс. Б – схема трехмерной реконструкции (ультрамикроскопическое строение). В – аппарат Гольджи на срезе (печень): 4 – вакуоли; 5 – трубки; б – плоские цистерны, 7 – мембраны гранулярной эндоплазматической сети.

Рисунок 3.7 – Пластинчатый комплекс

1 – аппарат Гольджи; 2 – щеточная каемка; 3 – соединительная ткань.

Рисунок 3.8 – Аппарат Гольджи в клетках двенадцатиперстной кишки голодной мыши

1 – аппарат Гольджи; 2 – щеточная каемка; 3 – соединительная клетка; 4 – слизистая бокаловидная клетка.

Рисунок 3.9 – Аппарат Гольджи в эпителии двенадцатиперстной кишки сытой мыши. Диффузная форма органоида

В его периферической зоне расположены полирибосомы, участвующие в выработке специфических ферментов для мембран АГ. Цистерны в виде изогнутых дисков диаметром от 0.5 до 5 мкм и образуют стопки из от 3 до 30 элементов, разделенных пространством, шириной от 15 до 30 нм. Выпуклая поверхность стопок, или цис-поверхность (незрелая), обращена к ядру, а вогнутая, или трансповерхность (зрелая) – к плазмолемме. Поверхности АГ различаются не только в структурном плане, но также по ферментативной активности и составу ферментов. Периферические отделы цистерн расширены: от цистерн цис-поверхности отделяются (опшнуровываются) пузырьки, а от цистерн транс-поверхности – вакуоли. Размеры пузырьков от 40 до 80 мм, вакуолей от 1,1 до 1,0 мкм.

Содержимое пузырьков и вакуолей (секреторный продукт) умеренной плотности.

Синтезированные на рибосомах и полирибосомах белки поступают по каналам ГрЭПС в стопку цистерн АГ из транспортных пузырьков с цисповерхности. Внутри цистерн белковые продукты накапливаются, конденсируются в гранулы и выходят в вакуолях с транс-поверхности. В АГ синтезируются полисахариды и гликопротеиды, конденсируется секреторный продукт, образуются и упаковываются секреторные гранулы, а также сортируются белки на трансповерхности. Белки из АГ транспортируются в виде трех основных потоков: в гидролазные пузырьки (первичные лизосомы); в плазмолемму в виде пузырьков и в секреторные гранулы – в виде пузырьков, утрачивающих позднее оболочку. Светооптическое выявление АГ базируется на свойстве его мембран осаждать в определенных условиях соли некоторых металлов (осмия, серебра).

Лизосомы (lуsosоmае). Эти структуры представляют собой мелкие округлой или сферической формы пузырьки, окруженные одинарной мембраной толщиной 10 нм и содержащие набор гидролитических ферментов (протеаз, липаз, нуклеаз, фосфатаз и других), способных разрушать практически все природные полимерные органические соединения. Мембраны лизосом не только изолируют ферменты, но и инактивируют их благодаря кислой среде (рН 5,0) и связям с липидами или гликозаминогликанами матрикса. Лизосомы участвуют в процессах пищеварения (внутриклеточное переваривание) клетки.

Среди лизосом выделяют первичные и вторичные лизосомы, аутофагосомы и остаточные тельца. Первичные лизосомы, формирующиеся в АГ, содержат кислую фосфатазу и большое количество гидролаз. Они подходят к пищеварительной вакуоли и сливаются с ней, образуя вторичную лизосому. Гидролазы активизируются, вступают во взаимодействие и начинают расщеплять сложные органические питательные вещества до мономеров, а затем и до конечных продуктов метаболизма, которые поступают в гиалоплазму. Вторичная лизосома может вступить в контакт с другой фагосомой и обеспечить расщепление содержащихся в ней частиц. Такие циклы могут повторяться многократно, при этом остатки непереваренной пищи накапливаются во вторичных лизосомах. Последние превращаются в остаточные тельца (телолизосомы), внутри которых часто выделяются миелиноподобные слоистые структуры фосфолипидной природы, а также скопления пигмента и кристаллы нерастворимых солей. Остаточные тельца могут находиться в клетке длительное время или они удаляются путем экзоцитоза.

Лизосомы участвуют и в аутофагии – самопереваривании отдельных органелл и участков цитоплазмы клетки, необратимо изменившихся в результате старения или использующихся для поддержания жизнедеятельности клетки в экстремальных условиях. Процессы аутофагии можно рассматривать как механизм физиологической регенерации и как способность организма поддерживать эндогенное питание в условиях голодания. Разновидностью аутофагии служит кринофагия – регуляция лизосомами поступления в кровь секрета, например, из клеток щитовидной железы или аденогипофиза. Специфическая аутофагия проявляется в эмбриональном и постнатальном морфогенезе, в репаративной регенерации, гистогенезе и дифференцировке клеток. Ферменты, содержащиеся в больших количествах в лизосомах гранулярных лейкоцитов, выполняют защитную функцию в организме.

Пероксисомы (реrохуsотае). Это своеобразные аналоги лизосом, представляющие собой мембранные пузырьки диаметром от 0,05 до 1,5 мкм. Содержимое пузырьков умеренно плотное, однородное или зернистое, иногда в нем выявляют более плотную сердцевину, образованную фибриллами и трубочками. Пероксисомы содержат до 15 гидролитических ферментов, состав которых может варьировать. Наиболее важные из них – пероксидаза, каталаза, оксидазы D-аминокислот и уратоксидаза.

Пероксисомы образуются путем отпочкования от мембран ГлЭПС, а их ферменты синтезируются на свободных рибосомах и транслоцируются через мембрану уже после синтеза. Одна из основных функций пероксисом – окисление субстратов с образованием пероксида водорода, незамедлительно утилизирующегося с помощыо каталазы других субстратов до молекулярного кислорода и воды, что весьма существенно при обеззараживании (например, в клетках печени и почек, обеспечивающих детоксикацию попавших в кровь вредных веществ). Пероксисомы катализируют также распад жирных кислот до ацетилкоэнзима А, который транспортируется в митохондрии и участвует в энергетическом цикле Кребса.

Митохондрии (mitochondriae). Органеллы представляют собой подвижные тельца различных размеров и формы, ограниченные двухслойной мембраной. Количество митохондрий в клетках различных тканей варьирует от 500 до 1000 и более. Митохондрии проявляют пластичность своей структуры: они могут быть округлыми, палочковидными, гантелевидными, нитевидными, разветвленными, сливаться, образуя гигантскую структуру, которая затем может распадаться на множество мелких митохондрий. Митохондрии способны быстро делиться (менее чем за 1 мин). Двойная мембрана органеллы состоит из наружного и более толстого внутреннего слоя, разделенных межмембранным пространством. Слои различаются не только в структурном плане, но и по содержанию белков (менее 20 % в наружном и 75 % во внутреннем) и составу липидов. Наружный слой беднее ферментами, тогда как внутренний и митохондриальный матрикс насыщены ими, например в локализованной здесь цепи переноса электронов (дыхательной цепи).

Внутренняя мембрана образует выросты в виде складок – кристы, впячивающиеся в митохондриальный матрикс (рисунки 3.10, 3.11).

В зависимости от типа клеток кристы могут иметь вид пластинок (складок), продольных или поперечных трубочек и везикулярных структур; располагаться параллельно длинной оси митохондрий (в аксонах нейронов, волокнах скелетных мышц) или перпендикулярно ей (клетки печени, почек). Структура крист лабильна – они могут трансформироваться (менять форму), редуцироваться и восстанавливаться в зависимости от функционального состояния ткани.

Промежутки между мембранами выглядят гомогенными, тогда как электронная плотность митохондриального матрикса на разных участках различна. Матрикс митохондрий содержит митохондриальную ДНК, рибосомы (встречаются в виде полисомных цепочек или прикрепляются к внутренней мембране), ионы Ca, свободные молекулы фосфорной кислоты и различные включения.

Рисунок 3.10 – Ультраструктура митохондрии

1 – клетки концевых секреторных отделов; 2 – клетки исчерченного отдела; 3 – митохондрии; 4 – ядро; 5 – ядрышко; 6 – гранулы секрета; 7 – кровеносный капилляр; 8 – эритроциты; 9 – соединительная ткань.

Рисунок 3.11 – Митохондрии в клетках различных отделов околоушной железы крысы

Митохондрии участвуют в синтезе АТФ – макроэнергитического соединения, при гидролизе которого высвобождается энергия. В митохондриях происходит аэробное окисление органических соединений (клеточное дыхание) и освободившаяся энергия используется вновь для синтеза молекул АТФ. В указанных реакциях участвует ряд ферментов так называемого цикла трикарбоновых кислот (цикла Кребса), которые локализованы в матриксе митохондрий. На мембранах крист затем происходит окислительное фосфолирование при участии расположенных здесь белков цепи окисления и ферментов фосфолирования АДФ (аденозинтрифосфорной кислоты), поэтому митохондрии и называют энергитическими станциями, или органеллами клеточного дыхания.

Немембранные органеллы. К ним относят рибосомы, центриоли фибриллярные структуры.

Рибосомы (ribosomae). Это мелкие гранулы диаметром от 15 до 35 нм, на которых синтезируется белок путем соединения аминокислот в полипептидные цепочки. Информацию о синтезе приносит к рибосомам информационная РНК (иРНК), которая образуется в ядре в ходе списывания (транскрипции) фрагментов генетической информации с ДНК.

Каждая рибосома состоит из двух ассиметричных субъединиц: большой, катализирующей сборку пептидных цепей, и малой, связывающей иРНК. Субъединицы образованы рибосомальными РНК (рРНК), синтезирующимися в ядрышке и особыми белками, которые связываются с рРНК в ядре. В дальнейшем субъединицы по отдельности через ядерные поры поступают из ядра в цитоплазму, где и участвуют в синтезе белка. Рибосомы могут встречаться в виде свободных единичных органелл, образовывать комплексы (от 3 до 30 рибосом) – полисомы (последние характерны для недифференцированных камбиальных клеток), или быть фиксированными на мембранах эндоплазматической сети (что характерно для высоко специализированных клеток, синтезирующих белок на «экспорт»). Функционально неактивные рибосомы постоянно обмениваются своими субъединицами. Сборка рибосом происходит в начале синтеза белка, а по завершении синтеза они диссоциируют.

Синтез полипептидных молекул начинается с того, что малая субъединица связывается с участком иРНК; далее рибосома передвигается вдоль цепи иРНК и в это время происходит специфическое присоединение к рибосоме молекулы транспортной РНК (тРНК), антикодон которой комплементарен соответствующему кодону иРНК. В полипептид включается около 20 аминокислот в секунду, а белковая молекула среднего размера синтезируется примерно за 1 мин. Когда образование белковой цепочки завершается, субъединицы диссоциируют, освобождаясь от иРНК, а новая рибосома занимает место своей предшественницы. О количестве РНК и интенсивности белкового синтеза на светооптическом уровне судят по тинкториальному признаку – степени базофилии цитоплазмы клетки.

Центриоли (сentriolum). Это два коротких полых цилиндра диаметром около 0,15 мкм и длиной от 0,3 до 0,5 мкм, расположенных перпендикулярно друг другу и образующих клеточный центр. Стенку центриолей формируют девять триплетов частично слипшихся микротрубочек, соединенных между собой белковыми мостиками. Снаружи центриоли окружены узкой полоской аморфного матрикса. У многих клеток они имеют перицентриоллярные сателлиты – сферические тельца диаметром 75 нм. Вокруг центриолей часто располагаются многочисленные, радиально расходящиеся сферические тельца, волокнистые выросты или микротрубочки, формирующие центросферу. Центриоли – самовоспроизводящиеся структуры. При подготовке клетки к митотическому делению они удваиваются. В разных цитотипах удвоение происходит в различные периоды клеточного цикла. В некоторых клетках центриоли делятся по нескольку раз и при редупликации перемещаются к поверхностной мембране клетки, образуя базальные тельца (БТ), или кинетосомы. Центриоли индуцируют полимеризацию белка тубулина, из которого образованы микротрубочки веретена деления, а также служат центром роста ресничек и жгутиков.

Фибриллярные структуры. К немембранным органеллам цитоплазмы, выполняющим роль цитоскелета клетки, относят микротрубочки, микрофиламенты и промежуточные филаменты. Они образуют остов или каркас клетки, располагаются в виде пучков в кортикальном слое цитоплазмы, определяют форму клетки, ее пластичность, участвуют в образовании отростков, в обеспечении ее движения (рисунок 3.12).

1 – микрофиламенты; 2 – микротрубочки; 3 – промежуточные филаменты; 4 – плазматическая мембрана; 5 – ядро; 6 – митохондрии; 7 – рибосомы.

Рисунок 3.12 – Схематическое изображение цитоскелетных компонентов клеток

Микротрубочки (МТ) представляют собой полые неветвящиеся цилиндры диаметром 20 … 25 нм, состоящие из мономеров белка тубулина. МТ участвуют в поддержании формы клетки, определяют ее полярность, разграничивают функционально отличающиеся друг от друга участки цитоплазмы, входят в состав клеточного центра, ресничек, а также веретена деления при митозе и мейозе.

Микрофиламенты (МФ) представляют собой короткие и самые тонкие (толщина от 5 до 7 нм) нити белка актина, лежащего у большинства клеток в кортикальной зоне цитоплазмы в виде войлокообразных структур или упорядоченных пучков. МФ встречаются в конусах роста, микроворсинках и на других участках клетки, находящихся в состоянии локомоторной активности (подвижности).

Промежуточные филаменты (ПФ) прочные и устойчивые в химическом отношении нити, толщиной около от 10 до 15 нм. Они формируют трехмерные сети вокруг ядра, входят в состав десмосом и полудесмосом эпителиальных клеток, сопровождают нейротрубочки отростков нейронов (дендритов и аксонов). Построены из скрученных в виде канатика тонких фибриллярных белков, природа которых недостаточна выяснена. ПФ не участвуют в движении и делении клеток, но обеспечивают равномерное распределение сил деформации между клетками ткани. В эпителии кожи участвуют в образовании рогового вещества.

Хотя ПФ в клетках разных типов сходны по строению, они, тем не менее, варьируют по молекулярной массе и химической природе. Различают 6 классов ПФ (их идентификация имеет важное значение в диагностике опухолей): кератиновые (в эпителиоцитах), молекулярная масса от 47000 до 68000; десминовые (в гладких мышечных тканях, кроме миоцитов сосудов и поперечнополосатых), мол. масса 52000; виментиновые (в клетках мезенхимного происхождения), мол. масса от 52000 до 58000; нейрофиламенты (в нейронах), мол. масса от 70000 до 200000; глиальные (в клетках глии), молекулярная масса 50000; ламины (образуют кариоскелет во всех типах клеток).

Органеллы специального назначения. Реснички и жгутики – это специальные органеллы движения (рисунки 3.13, 3.14).

Рисунок 3.13 – Ресничка – тонкий вырост на поверхности клетки

На рисунке 3.13 видно, что стержень реснички образован аксонемой – системой микротрубочек 9+2. В основании реснички расположено базальное тельце, служащее матрицей для формирования аксонемы.

а – продольный срез; б – поперечный срез тела реснички; в, г – срезы базального тельца. 1 – плазматическая мембрана; 2 – микротрубочки; 3 – дублеты микротрубочек А и В; 4 – триплеты микротрубочек А, В и С.

Рисунок 3.14. – Общее строение реснички

Их основу составляет каркас из микротрубочек, называемый осевой нитыо, или аксонемой. Она образована парами микротрубочек – девятью периферическими А, В и С и одной, центрально расположенной; такое строение соответствует формуле (9 х 2) + 2. Центральная пара окружена оболочкой, от которой к периферическим дуплетам отходят радиальные спицы. Периферические дуплеты связаны мостиками белка нексина, а от микротрубочек А к микротрубочкам В соседних дуплетов отходят «ручки» из белка динеина. обладающего активностью АТФ-азы. Биение реснички и жгутика обусловлено скольжением соседних дуплетов в аксонеме, опосредуемое движснием динеиновых ручек.

Базальное тельце (БТ) по своему строению сходно с центриолью и лежит в основе каждой реснички или жгутика. На уровне апикального конца базального тельца микротрубочка С-триплета заканчивается, а микротрубочки А и В продолжаются в соответствующие микротрубочки аксонемы реснички или жгутика. Таким образом, БТ – эго та же центриоль, но специализирующаяся на регуляции движения жгутиков или ресничек.

К органеллам специального назначения в специализированных клетках относят следующие структуры: в клетках мышечных тканей миофибриллы, в нервных – нейрофибриллы, в глиальных клетках центральной нервной системы астроцитах – глиофибриллы, а также реснички (у мерцательных клеток эпителия дыхательных и половых путей) и тонофибриллы (в эпидермоцитах кожи).

Включения цитоплазмы. Включения (inclusiones cytoplasmicae) – это (в отличие от органелл) непостоянные структурные компоненты цитоплазмы, представляющие собой, как правило, продукты внутриклеточного метаболизма. Различают трофические, экскреторные, секреторные и пигментные включения.

Трофические – это включения общего назначения. Они характерны для большинства клеток, так как отражают их метаболизм и поэтому присутствуют в цитоплазме (гиалоплазме) более или менее постоянно: углеводные гранулы (гликоген), белковые гранулы (в норме встречаются только в половых клетках и клетках ранних стадий эмбрионального развития), липидные капельки.

К экскреторным включениям относят вещества, подлежащие удалению из клетки (желчные пигменты, мочевина и другие).

Секреторные включения более разнообразны по строению, химическому составу и функциональному значению (гормоны, нейромедиаторы или ферменты). Синтезируются и накапливаются в цитоплазме клеток, специализированных на выполнении определенных функций.

Пигментные включения могут быть как эндогенного (гемоглобин, меланин, липофусцин), так и экзогенного происхождения (каротин, частицы сажи, пыли или пыльцы растений) (рисунок 3.15).

1 – ядро пигментной клетки; 2 – цитоплазма с пигментными зернами (меланин).

Рисунок 3.15 – Пигментные включения в пигментных клетках меланоцитах

Иногда трофические и пигментные включения отражают или определяют специализацию клеток (например, гликоген в гепатоцитах, жир в липоцитах жировой клетчатки, гемоглобин, обеспечивающий главную функцию эритроцитов крови – транспорт кислорода).