Текст книги "Цитология и гистология"

3.5 Наследственный аппарат клетки

Строение ядра. Ядро (nucleus) клетки обеспечивает хранение и передачу наследственной информации в ряду клеточных поколений, а также служит центром управления обменом веществ в клетке, включая синтез белков. Поэтому, если удалить ядро, клетка погибнет.

Ядра клеток могут иметь различную форму: округлую, овальную, палочковидную, подковообразную, кольцевидную. Они могут быть сегментированными или лопастными. В физико-химическом плане ядро представляет собой комплекс гидрофильных коллоидов более вязкой консистенции, чем коллоидная система цитоплазмы. Внутренняя структура ядра может существенно видоизменяться, что обусловлено физиологическим состоянием клетки. В зависимости от фазы жизненного цикла различают:

1) делящееся ядро (в состоянии митоза), выполняющее функцию передачи наследственной информации от клетки к клетке;

2) ядро, синтезирующее наследственный материал (редупликация, или удвоение, ДНК в S-период);

3) интерфазное ядро (в промежутках между делениями), управляющее жизнедеятельностью клетки в выработке гормонов, секреторных гранул, нейромедиаторов, белков.

В ядре эукариот выделяют четыре компонента: ядерную мембрану, хроматин, ядрышко и кариоплазму (рисунок 3.16) с комплексом фибриллярных белков, обеспечивающих структурную организацию всех компонентов.

А – схема строения ядра (интерфазной) клетки: 1 – ядерная оболочка (две мембраны, перинуклеарное пространство); 2 – комплекс поры ядерной оболочки; 3 – конденсированный хроматин; 4 – диффузный хроматин; 5 – ядрышко (гранулярная и фибриллярная части); 6 – межхроматиновые гранулы РНК; 7 – перихроматиновые гранулы; 8 – кариоплазма. Б – электронная микрофотография участка ядра клетки в культуре ткани.

Рисунок 3.16 – Ультраструктура ядра

Ядерная мембрана (кариолемма). Она состоит из наружной и внутренней мембран, разделенных перинуклеарным пространством, и пронизана порами. В их области наружная мембрана переходит во внутреннюю. На участках пор располагается система упорядочено ориентированных белковых глобул, формирующих поровый комплекс. Внутреннюю мембрану на всем ее протяжении подстилает плотная пластинка, образованная из высококонсервативных белков и находящаяся в тесной структурной связи с глобулами порового комплекса (рисунок 3.17)

1 – перинуклеарное пространство; 2 – внутренняя ядерная мембрана; 3 – внешняя адерная мембрана; 4 – периферические гранулы; 5 – центральная гранула; 6 – фибриллы, отходящие от гранул; 7 – диафрагма; 8 – фибриллы хроматина.

Рисунок 3.17 – Схема строения комплекса поры

Сублимированная пластинка (ламина) участвует в скелетоорганизующей функции кариолеммы и в упорядочении расположения интерфазных хромосом (обеспечивает их связь с внутренней мембраной). Толщина пластинки варьирует от 20 до 80 нм, а ультраструктура и степень развития зависят от функционального состояния и степени дифференцированности клетки.

Количество пор в ядерной оболочке коррелирует с функциональным состоянием наследственного аппарата клетки и периодом жизнедеятельности последней. Чем интенсивнее процессы синтеза в ядре, тем больше пор в ядеронй оболочке клетки. Размеры поровых комплексов, как правило, постоянны для данного типа клеток и колеблются в пределах от 60 до 120 нм. Комплекс представляет собой два кольца из восьми белковых глобул диаметром от 10 до 25 нм, расположенных по краям отверстия в ядерной оболочке (иногда имеется и третье кольцо между ними). В центре кольца находится гранула, связанная с периферическими глобулами тонкими фибриллами.

Считают, что через каналы центральной гранулы в цитоплазму из ядра поступают высокомолекулярные соединения и информационная РНК (иРНК), а из цитоплазмы в ядро – структурные белки, ферменты, биологически активные вещества и другие соединения. Таким образом, регулируемое двустороннее взаимодействие ядра и цитоплазмы с использованием энергии АТФ осуществляется благодаря поровым комплексам, а также структурной и функциональной связи мембран ядерной оболочки с мембранами метаболического аппарата (цитоплазмы). Ядерная оболочка может образовывать временные динамичные связи с пластинчатым комплексом (аппаратом Гольджи).

Хроматин. Это компонент интерфазного ядра эукариотических клеток, обнаруживаемый в виде глыбок и зерен, окрашивающихся основными красителями. Термие «хроматин» предложил Я. Флеминг (1880). В химическом отношении хроматин представляет собой сложный комплекс дезоксинуклеопротеидов (ДНП), в состав которого входят ДНК, белки-гистоны частично РНК. Основываясь на данных СЭМ, электронной авторадиографии и электронной цитохимии, можно считать, что хроматин – это в большей части деспирализованные хромосомы.

Выделяют конденсированный и деконденсированный хроматин. Глыбки хроматина, видимые в ядре при световой микроскопии, соответствуют конденсированному хроматину, или гетерохроматину (функционально неактивные участки хромосом). Часть гетерохроматина тесно связана с внутренней ядерной мембраной и называется периферическим, или примембранным хроматином. Другая часть, расположенная между примембранным хроматином и ядрышком, получила название хроматина ядерного сока, а третья, связанная с ядрышком – околоядрышкового хроматина. Есть данные, что гетерохроматин может быть факультативным (то есть в определенных условиях переходить в деспирализованное состояние) и конститутивным (не может деконденсироваться). Деспирализованный, деконденсированный, или эухроматин – это функционально активные участки хромосом. Согласно современным представлениям в ДНК хромосом присутствуют хромомеры – участки временно не транскрибируемой ДНК, которые однако, могут деспирализоваться (деконденсироваться) и перейти в активное (транскрибируемое) состояние. На петлях деспирализованной ДНК синтезируется РНК. Таким образом, степень конденсации хроматина в интерфазе отражает функциональную нагрузку клетки. Чем «диффузнее» распределение хроматина в ядре, тем интенсивнее в нем в данный момент протекают синтетические процессы.

Ядрышко. Это особое производное хромосом, характеризующееся высокой концентрацией РНК и ее активным синтезом в интерфазе (рисунок 3.18).

1 – фибриллярный компонент; 2 – гранулярный компонент; 3 – ядерная оболочка; 4 – кариоплазма.

Рисунок 3.18 – Ультраструктура ядрышка клеток культуры СПЭВ (по Г.Е. Онищенко)

Ядрышко формируется на специализированных участках хромосом – в ядрышковых организаторах. В ядре может быть несколько ядрышек – округлой формы телец размером от 1 до 5 мкм, хорошо окрашивающихся преимущественно основными красителями. В ядрышке выявлены два компонента: фибриллярный, представляющий собой рибонуклеопротеидные тяжи предшественников рибосом (локализуется в центре, толщина фибрилл от 6 до 8 нм) и гранулярный – формирующиеся субъединицы рибосом (расположен по периферии, диаметр гранул от 15 до 20 нм). Ограничивающей мембраны у ядрышка нет. Функция ядрышка – образование рибосомальной РНК (рРНК).

Кариоплазма. Она включает в себя следующие компоненты: свободные нуклеопротеиды, нуклеотиды, ферменты (в частности ДНК – и РНК-полимеразу), специфические белки – гистоны, характерные только для ядра и участвующие в образовании оболочки хромосом.

Интерхроматиновый ядерный матрикс. Он представлен белковыми фибриллами и гранулами рибонуклеопротеидов (РНП), тесно контактирующими на переферии с субмембранной пластинкой ядра. Матрикс обеспечивает прикрепление ДНК и РНК к филаментам и регулирует их редупликацию и транскрипцию.

Строение хромосом. Хромосома делящейся клетки состоит из двух хроматид, соединенных между собой перетяжкой. Последняя представляет собой неспирализованный участок ДНК – центромеру, или кинетохор (рисунок 3.19).

а – деконденсированная центромера; б – частично конденсированная центромера; в – полностью конденсированная центромера. 1 – участок ДНК с белковыми сегментами, связывающими микротрубочки; 2 – линкерный участок ДНК; 3 – сформированный кинетохор; 4 – микротрубочки; 5 – плечи хромосом.

Рисунок 3.19 – Модель строения кинетохора (по: Zinkowski et al., 1991)

Снаружи хромосомы покрыты белковой оболочкой из гистонов. Хромосомы бывают различной формы: равноплечие, неравноплечие, в виде барабанной палочки и состоят из ДНК (90 %), РНК (10 %).

Для каждого вида организмов характерен определенный набор хромосом: у кукурузы их 20, у пшеницы 42, у человека 46, у коровы 60, у курицы 78 и так далее. Набор бывает диплоидным (2п2с) и гаплоидным (1п1с). У всех соматических клеток набор хромосом диплоидный, или двойной, образующийся в результате слияния двух половых клеток – мужской и женской. В диплоидном наборе каждой хромосоме соответствует парная – гомологичная по форме и размерам – хромосома. Функция хромосом заключается в синтезе специфических для данного организма нуклеиновых кислот, из которых ДНК отвечает за хранение и передачу наследственной информации в клеточных поколениях, а РНК управляет синтезом белков в клетке.

Открытие структуры молекулы ДНК и создание ее модели принадлежит американским ученым – Дж. Уотсону, Ф. Крику (1956). Это крупнейшее открытие в современной биологии дало мощный толчок для дальнейшего познания природы гена, расшифровки генетического кода, и вызвало интенсивное развитие генной инженерии.

Молекула ДНК представляет собой две спаренные антипараллельные цепи, закрученные одна вокруг другой в правую спираль. Дпина во многие сотни раз превышает длину любой полипептидной цепочки. Каждая цепочка ДНК в свою очередь является полимером, образованным из нуклеотидов. В состав нуклеотида входят три элемента: два постоянных (фосфорная кислота и сахар дезоксирибоза) и один переменный, который может быть представлен одним из четырех азотистых оснований: аденином (А), тимином (Т), гуанином (Г) и цитозином (Ц). Таким образом, в молекулах ДНК присутствует всего четыре типа нуклеотидов. Благодаря различному чередованию последовательностей нуклеотидов в цепочке достигается большое разнообразие синтезируемых белков. Две цепи ДНК соединены в одну молекулу азотистыми основаниями через водородные связи. При этом А соединяется только с Т (двумя водородными связями), а Г – только с Ц (тремя связями). Строгое соответствие нуклеотидов друг другу в двойной спирали ДНК получило название комплементарности. По этому же принципу образуются новые молекулы ДНК на базе исходной (матричной) молекулы.

Редупликация ДНК. Удвоение, или редупликация, ДНК сводится к тому, что исходная двойная спираль молекулы под действием универсального фермента ДНКполимеразы распадается вдоль водородных связей на две цепочки. К азотистым основаниям каждой цепочки по принципу комплементарности присоединяются свободные нуклеотиды, присутствующие в большом количестве в нуклеоплазме. В результате этого процесса вместо одной двухцепочечной молекулы ДНК образуются две двухцепочечные дочерние молекулы, а количество ДНК увеличивается в два раза (было 2с, стало 4с). Таким образом, функция ДНК заключается не только в хранении, но и в воспроизведении и передаче в процессе деления клетки наследственной информации из поколения в поколение. При этом клетки – половые (в случае полового размножения) и соматические (при бесполом) – несут в себе только задатки, возможности развития организмов и их свойств.

Ген. Ген – это участок молекулы ДНК, кодирующий информацию об определенном белке. Используют другой термин – цистрон – отрезок ДНК, несущий информацию, необходимую для синтеза одной полипептидной цепи (один цистрон – один полипептид). Как известно, полипептиды – это предшественники белков, состоящие из различного количества аминокислот, последовательно связанных пептидными связями. Таким образом, ДНК кодирует синтез белковых молекул, то есть последовательность нуклеотидов ДНК должна определять аминокислотную последовательность в белках. Система «записи» наследственной информации в молекулах нуклеиновых кислот в виде последовательных азотистых оснований называется генетическим кодом. Примечательной особенностью генетического кода является то, что он универсален: белковые молекулы всех животных организмов построены из 20 аминокислот, а в состав нуклеиновых кислот входит пять азотистых оснований (А, Г, Т, Ц, У).

У всех организмов одного и того же вида определенный ген располагается на одном и том же участке (в одном локусе) определенной хромосомы. Соматические диплоидные клетки содержат гомологичные хромосомы, полученные от отца и матери. Два гена, расположенные в одних и тех же локусах гомологичных хромосом и определяющие развитие признака, называются аллельными. Изменчивость признаков в пределах одного и того же вида обусловлена изменением генетической информации при неблагоприятном воздействии условий внутренней, или внешней среды. Наследственность и изменчивость – два фактора, на основе которых можно охарактеризовать такие генетические понятия как генотип и фенотип.

Генотип – совокупность всех генов организма, то есть той наследственной информации, которая была получена организмом от предыдущих поколений. Фенотип – это совокупность всех развивающихся признаков и свойств организма в конкретных условиях его онтогенеза (индивидуального развития). Фенотип формируется на основе генотипа под воздействием определенных факторов внутренней и внешней среды.

Клеточный цикл и митоз. Основной способ деления соматических клеток – митоз, при котором имеет место формирование видимых нитей – хромосом (mitos – нить). Разновидностью митоза является мейоз – деление созревающих половых клеток.

Клеточный цикл разделяют на интерфазу и митоз. Интерфаза слагается из периода G₁ – постмитотического периода, когда происходит синтез и накопление белков клетки, периода S – синтетического периода, когда удваивается ДНК, и периода G₂ (премитотического), когда синтезируются белки, необходимые для деления, в первую очередь тубулины для построения веретена деления (рисунок 3.20).

А – интерфаза; Б – митоз.

Рисунок 3.20 – Клеточный цикл

В период митоза генетический материал перемещается таким образом, что обеспечивается его равномерное распределение между дочерними клетками. Митоз слагается из четырех фаз: профаза, метафаза, анафаза и телофаза. В профазе происходит конденсация хромосом, в результате чего они становятся видимыми. Каждая хромосома состоит из двух тяжей – хроматид. Ядрышки уменьшаются в размере и исчезают. Центриоли расходятся, и между ними начинается формироваться веретено деления. Оболочка ядра распадается.

Метафаза начинается с полного формирования веретена деления и расположения хромосом в экваториальной плоскости клетки. Веретено деления состоит из микротрубочек, центрами формирования которых, являются центриоли. Часть микротрубочек идет от полюса к полюсу (от центриоли к центриоли). Другие тянутся от полюса к центромеру (перетяжка) одной из хромосом.

В анафазе происходит расщепление центромеров и расхождение хроматид при участии веретена деления к полюсам клетки.

В телофазе происходит разделение цитоплазмы, деспирализация хромосом, реконструкция оболочки ядра, появление ядрышек.

О митотическом цикле можно говорить тогда, когда клетки через определенный промежуток времени повторно входят в фазу митоза. Это может быть при быстром росте популяции клеток. Во взрослом организме наблюдается редко. Большинство клеток находится в состоянии интерфазы в течение недель или месяцев, а затем проделывают несколько циклов. Такую длительную интерфазу называют также периодом G_0.

В некоторых органах может происходить удвоение ДНК без последующего митоза или митотическое деление ядер без разделения цитоплазмы (эндомитоз). В результате эндомитоза может образовываться одно гигантское полиплоидное ядро или несколько ядер. При этом формируются полиплоидные клетки с увеличенным числом наборов хромосом. Обычно соматические клетки содержат диплоидный набор хромосом (2n). В печени могут встречаться клетки с тетраплоидным (4n) и октаплоидным (8n) набором хромосом. Ядро мегакариоцита костного мозга может содержать набор хромосом 32n.

Вопросы для самопроверки

1 Каково строение клетки животных организмов?

2 Что такое плазмолемма и из каких слоев она состоит?

3 Назовиет основные функции плазмолеммы.

4 Каким образом вещества поступают в клетку?

5 Какие существуют межклеточные контакты?

6 Что относят к мембранным органеллам?

7 Какова особенность генетического кода?

8 Охарактеризуйте основной способ деления соматических клеток – митоз.

4 Общая гистология

Ткань – это исторически сложившаяся частная система органа, состоящая из клеток и внеклеточных элементов с общей эпигеномной наследственностью, специализированная для выполнения определенных функций и проявляющая свои гистобластические и гистотипические потенции в патологических условиях и вне организма.

Любой орган животного представляет собой сложную тканевую систему. Некоторые ткани, например соединительные образуют строму (остов) органа, другие – эпителиальные – его паренхиму. Тесно взаимосвязанные строма и паренхима обеспечивают функцию органа. Согласованная деятельность тканей и органов контролируется и регулируется интеграционными межтканевыми системами – нервной, эндокринной и иммунной. Высокую специфичность и дифференцировку различных тканей поддерживают собственные, или внутренние, регуляторы тканевого гомеостаза – факторы роста, или кейлоны – тканеспецифические вещества, выделяемые дифференцированными клетками и оказывающие избирательное и специфическое действие на определенные типы клеток, ингибируя их митотическое деление.

По представлению А.А. Заварзина филогенетическое развитие тканей в рамках четырех групп (эпителиальные, соединительные, мышечные и нервные ткани) обеспечило выполнение четырех элементарных функций многоклеточного организма: ограничения, поддержания постоянства внутренней среды, реактивности и движения. Изучение гистогенеза – одна из важнейших задач гистологии, так как строение и свойства тканей взрослого организма можно понять только на основе данных об их развитии. Эмбриональный гистогенез представляет собой сложный комплекс координированных во времени и пространстве процессов детерминации, пролиферации, дифференциации, интеграции и адаптации клеточных систем.

Детерминация. Это процесс определяющий направление развития материала эмбриональных зачатков с образованием специфических тканей. Различают детерминацию оотипическую, определяющую развитие организма в целом из зиготы, зачатковую – развитие органов и систем из эмбриональных зачатков, тканевую – развитие данной специализированной ткани и клеточную, программирующую дифференцировку конкретных клеток. При тканевой детерминации в геномах клеток стойко закрепляются гистотипические свойства, вследствие чего клетки теряют способность к взаимопревращению (метаплазии). Гистологическая детерминация проявляется в высокой специфичности свойств ткани, сохраняющихся в любых условиях – нормальных, экспериментальных и патологических.

Пролиферация. Представляет собой процесс увеличения клеточной массы (как основы последующего развития) за счет деления клеток.

Дифференциация. Это стойкое структурно-функциональное изменение ранее однородных клеток в клетки с различной специализацией. Биохимически дифференциация связана с синтезом специфических белков, а морфологически – с образованием специальных органелл и включений. Совокупность клеточных форм, составляющих линию, или ряд, дифференцировки, называют гистогенетическим рядом, или диффероном. Дифференцировка клеток – это результат гетеросинтетической активности их генетического аппарата. При дифференцировке наблюдают избирательную активацию генов.

Интеграция. Представляет собой процесс объединения клеток в целостную систему с установлением между ними специфических взаимосвязей. В морфологическом аспекте в процессе интеграции большая роль принадлежит плазматической и базальной мембранам клеток.

Адаптация. Это приспособление развивающихся в составе тканей клеток к конкретным условиям функционирования. Адаптацию можно рассматривать как результат генетически детерминированных и взаимосвязанных процессов дифференциации, пролиферации, интеграции и гибели клеток.

Регенерация. Это восстановление структуры клетки, ткани или органа после их разрушения. Соответственно уровням организации живого различают регенерацию субклеточную, клеточную (внутриклеточную), тканевую и органную. Регенерацию, совершающуюся постоянно в здоровом организме, называют физиологической, а вследствие повреждения – репаративной, или восстановительной.

На основании филогенетических, морфологических, физиологических и генетических признаков различают четыре основных тканевых типа: эпителиальные, ткани внутренней среды или опорно-трофические, мышечные и нервные ткани.