Реклама на портале

Компонентами ядра являются. Ядро как основной регуляторный компонент клетки

Ядро - постоянный компонент всех клеток многоклеточных растений и животных, а также простейших и одноклеточных водорослей. Большинство клеток имеет одно ядро. Однако есть клетки с двумя, тремя и даже с несколькими десятками или сотнями ядер. Такие клетки называются многоядерными и встречаются, например, среди одноклеточных организмов, а также в печени и костном мозге позвоночных животных.

Форма ядра и часто его размеры зависят от формы клетки. Обычно в шаровидных клетках ядро имеет округлую форму, а в клетках, вытянутых в длину, ядро также удлиненной формы.

Различают два состояния ядра: делящееся и неделящееся. Мы рассмотрим особенности строения и функции неделящихся ядер.

В них различают ядерную оболочку, ядерный сок, или кариоплазму («карион» - ядро, греч.), хроматин и ядрышки. Хромосомы формируются только в делящихся ядрах, но иногда они видны и в промежутке между делениями.

Ядерная оболочка. От цитоплазмы ядро отделено ядерной оболочкой, которая хорошо видна в световой микроскоп в форме контура, ограничивающего ядро. На электронномикроскопической фотографии, где ядерная оболочка состоит из двух мембран: наружной и внутренней. Каждая из мембран имеет типичное трехслойное строение, такое же, как наружная цитоплазматическая мембрана и мембраны других органоидов.

Ядерная оболочка не сплошная: в ней имеются многочисленные поры, которые настолько малы, что видны лишь с помощью электронного микроскопа. Диаметр пор около 300-500 А. Через поры осуществляется обмен веществ между цитоплазмой и ядром. Наружная мембрана ядерной оболочки тесно связана с эндоплазматической сетью. Во время деления ядра в большинстве клеток ядерная оболочка разрушается.

Ядерный сок (кариоплазма). Ядерный сок - это вещество полужидкой консистенции, которое находится под ядерной оболочкой и заполняет всю полость ядра. В ядерном соке располагаются ядрышки и хроматин, а в последнее время с помощью электронного микроскопа в нем обнаружены рибосомы.

Хроматин. В неделящихся ядрах хроматин часто бывает виден в форме отдельных глыбок небольших размеров или нитей. Эти хроматиновые структуры содержат дезоксирибонуклеиновую кислоту (ДНК) и белок.

Хроматин - это тот материал, из которого образуются хромосомы при делении ядер. В делящихся ядрах ДНК сосредоточена именно в хромосомах. ДНК - важнейшая часть ядра. В этом веществе заключена наследственная информация, передающаяся из поколения в поколение у каждого вида организмов.

Ядрышко. Ядрышко представляет собой плотное округлое тельце, располагающееся в ядерном соке. В ядрах разных клеток, а также и в ядре одной и той же клетки в разные моменты ее жизнедеятельности количество ядрышек, их форма и размеры могут быть разными. Часто в ядрах содержится лишь 1-2 ядрышка, но их может быть 5-7 и более. Ядрышки имеются только в неделящихся ядрах; во время деления они исчезают, а в ядрах дочерних клеток образуются заново.

В состав ядрышка входят РНК и белки. Важнейшая функция ядрышка заключается в том, что в нем происходит формирование рибосом, которые затем выходят из ядра в цитоплазму. Это значит, что рибосомы, располагающиеся на мембранах эндоплазматической сети и свободно лежащие в цитоплазме, образуются в ядрышке. Рибосомы, находящиеся в ядрышке, осуществляют синтез белков.

Взаимодействие ядра и цитоплазмы. Цитоплазма и ядро клетки находятся в теснейшей взаимосвязи друг с другом. Если из клетки удалить ядро, то цитоплазма неизбежно погибнет. В свою очередь ядро не может существовать без цитоплазмы даже в течение короткого времени. Для жизни клетки необходимо взаимодействие ядра, цитоплазмы и всех ее органоидов как единого целого. Любое повреждение вызывает в конечном итоге гибель клетки. В ней нет структурных компонентов, способных к продолжительному самостоятельному существованию. Клетка - это элементарная целостная живая система.

Лекция №5

ЯДРО

Строение и функции ядра

Морфология и химический состав ядра

Термин «ядро» впервые применен Р. Броуном в 1833 г., который описал и изучил ядро в растительных клетках и доказал, что оно – обычная составная часть любой клетки.

Ядро имеется во всех эукариотических клетках (безъядерность некоторых из них – вторичное приспособление). От цитоплазмы ядра обычно отделяются четкой границей. Во всех случаях отчетливо выделяется имеющее округлую форму ядрышко. Бактерии и сине-зеленые водоросли не имеют сформированного ядра: их ядро лишено ядрышка, не отделено от цитоплазмы отчетливо выраженной ядерной мембраной и носит название нуклеоид.

Количество ядер в клетках . Имеются безъядерные клетки, например, эритроциты и кровяные пластинки у млекопитающих. Основная масса клеток имеет одно ядро. Встречаются и многоядерные клетки, например, остеокласты (клетки, разрушающие хрящ, содержат до 10 ядер), поперечно-полосатые мышечные волокна – от нескольких сот до 2-3 тысяч ядер. Увеличение количества ядер указывает на повышенную функциональную активность органа.

Форма ядра . Форма ядер довольно разнообразна, и находится в прямой зависимости от формы тела клетки. Например, в нейронах, у которых тело имеет округлую форму, а отростки ветвятся, ядро округлое.

В большинстве клеток ядро имеет округлую или овальную форму, но может быть линзовидным (эритроциты земноводных), палочковидным (мышечные клетки), а также многолопастным (нейтрофилы, у которых такая форма обеспечивает значительно большую площадь соприкосновения ядерной оболочки с цитоплазмой и тем самым способствует увеличению скорости биохимических реакций).

Локализация ядра . Обычно ядро расположено в центре, рядом с клеточным центром. В некоторых клетках оно смещено к базальному полюсу (клетки цилиндрического эпителия). В крайнетелолецитальных яйцеклетках, имеющих в цитоплазме большое количество желтка, и в клетках, вырабатывающих антитела, ядро смещено на периферию, к цитоплазматической мембране.

Размеры ядра. Своеобразны для разных типов клеток (5-20 мкм в диаметре для округлых ядер).

Размеры ядер можно охарактеризовать таким показателем, как ядерно-плазменное отношение (индекс Гертвига). Оно выражается формулой:

Где

NP – индекс Гертвига;

V n – объем ядра; V c – объем цитоплазмы.

Ядерно-плазменное отношение постоянно для клеток определенного типа. Биологический смысл такого постоянства заключается в том, что определенный объем ядра может контролировать определенный объем цитоплазмы. При нарушении ядерно-плазменного отношения клетка либо быстро восстанавливает его (например, секреторные клетки с апокриновым типом секреции), либо погибает (например, направительные тельца в процессе оогенеза).

Химический состав ядра. Основную массу сухого вещества ядра составляют белковые соединения (60-70%) и нуклеиновые кислоты (19-25%); кроме того, в ядре содержатся липиды и все другие вещества, характерные для цитоплазмы клеток. Из неорганических веществ в ядре больше всего ионов Ca 2+ , Mg 2+ , Fe 3+ , Na + , K + .

Белки ядра относятся к двум типам:

1) гистоны (основные белки); их количество относительно постоянно и пропорционально содержанию ДНК, с которой они образуют комплекс дезоксирибонуклеопротеид (он входит в состав хромосом);

2) негистонные (кислые) белки; к ним относится основная часть ферментов ядра, в том числе ферментов, обеспечивающих авторепродукцию молекул ДНК и образование молекул РНК на ДНК-матрицах.

Основные белки входят в состав хроматина ядра; кислые белки преимущественно локализованы в оболочке ядра, ядрышке и кариоплазме.

Нуклеиновые кислоты – ДНК и РНК – содержатся во всех без исключения ядрах, причем вся ДНК клетки локализована в ядре. В гигантской двухцепочечной молекуле ДНК азотистые основания – тимин, аденин, гуанин и цитозин – соединяются так, что тимину одной цепочки соответствует аденин в другой, а гуанину комплементарен цитозин. Количество ДНК в ядрах клеток организмов различных видов может очень резко варьировать, но для неделящихся диплоидных ядер каждого вида оказывается постоянным. В созревших половых клетках содержится половинный (гаплоидный) набор хромосом и соответственно половинное количество ДНК. В ядре вся ДНК связана с хромосомами.

Рибонуклеиновые кислоты ядра – информационная, рибосомальная и транспортная – являются одноцепочечными молекулами, в которых, в отличие от ДНК, вместо тимина содержится урацил. Большая часть РНК локализована в ядрышке, но она также находится в хроматине и в кариоплазме. Количество РНК в ядре непостоянно и сильно изменяется в зависимости от функционального состояния клетки.

Липиды присутствуют в ядре в небольшом количестве и локализованы главным образом в оболочке.

Функции ядра

Ядро представляет собой не только вместилище генетического материала, но и место, где этот материал функционирует и воспроизводится. Выпадение или нарушение любой из его функций гибельно для клетки в целом. Ядро осуществляет:

1). Сохранение наследственной информации в виде специфической последовательности нуклеотидов в молекуле ДНК.

2). Реализацию этой наследственной информации через синтез специфических для данной клетки белков. Посредством этого белкового синтеза происходит управление процессами жизнедеятельности клеток.

3). Передачу наследственной информации дочерним клеткам при делении. В основе этого процесса лежит способность ДНК к авторепродукции.

Все это указывает на ведущее значение ядерных структур в процессах, связанных с синтезом нуклеиновых кислот и белков – главных функционеров в жизнедеятельности клетки.

Структурные компоненты интерфазного ядра

Различают ядро в состоянии интерфазы и ядро в процессе клеточного деления. Прежде чем говорить о структуре интерфазного ядра, надо уяснить себе, что не все интерфазные ядра одинаковы. Выделяют 3 состояния (или типа) интерфазных ядер в зависимости от их дальнейших возможностей:

1) ядра размножающихся клеток между двумя делениями (основная масса клеток);

2) ядра не делящихся, но способных к делению клеток (функционирующие лимфоциты, часть из которых через большой промежуток времени делится, в то время как остальные могут и не делиться);

3) ядра клеток, утративших способность к делению навсегда (эритриты, клетки нервной системы, гранулоциты – нейтрофилы, базофилы, эозинофилы).

Рассмотрим строение интерфазного ядра первого типа. Основными компонентами ядра являются:

1). Ядерная оболочка (кариолемма).

2). Ядерный сок (кариоплазма).

3). Ядрышко.

4). Хромосомы.

Ядерная оболочка . Эта структура характерна для всех эукариотических клеток. Ядерная оболочка состоит из наружной и внутренней мембран, разделенных перинуклеарным пространством . Ширина его составляет от 10 до 100 нм. В состав ядерной оболочки входят ядерные поры.

Мембраны ядерной оболочки в морфологическом отношении не отличаются от остальных внутриклеточных мембран: они имеют толщину около 7 нм и построены по жидкостно-мозаичному типу.

Наружная, граничащая с цитоплазмой, мембрана имеет сложную складчатую структуру, местами соединенную с каналами ЭПС. На ней расположены рибосомы. Внутренняя мембрана связана с хроматином ядра, контактирует с кариоплазмой и лишена рибосом.

Ядерная оболочка пронизана множеством пор, диаметр их велик – 30-90 нм (для сравнения, в наружной плазмалемме диаметр пор составляет всего 1 нм). Численность их также колеблется: в зависимости от типа и физиологического состояния клетки на 1 мкм 2 их насчитывается от 10 до 30. В молодых клетках количество ядерных пор больше, чем в старых. Благодаря порам обеспечивается обмен веществ между ядром и цитоплазмой, например, выход в цитоплазму и-РНК и рибосомных субъединиц, поступление в ядро белков, нуклеотидов и молекул, регулирующих активность ДНК.

Поры имеют сложное строение. В этом месте две ядерные мембраны сливаются, образуя круглые отверстия, имеющие диафрагменное устройство (или поровый комплекс ). В его состав входят три пластинки, каждая из которых образована 8-ю гранулами размером 25 нм каждая, связанными друг с другом микрофибриллами. В центре порового отверстия часто имеется еще и центральная гранула.

Кариолемма, в отличие от плазмалеммы, не способна к регенерации.

После деления материнского ядра ядерная оболочка дочерних ядер образуется из цистерн гранулярной ЭПС (наружная мембрана) и частично из фрагментов старой ядерной оболочки (внутренняя мембрана), распавшейся во время деления.

Функции ядерной оболочки:

1). Обмен веществ между ядром и цитоплазмой.

2). Барьер, отделяющий ядро от цитоплазмы.

3). Фиксация хромосом.

Кариоплазма (ядерный сок ) – гелеобразное вещество, заполняющее пространство между структурами ядра. В ней находятся ядрышки, значительное количество РНК и ДНК, различные белки, в том числе большинство ферментов ядра, а также свободные нуклеотиды, аминокислоты, промежуточные продукты обмена веществ. Вязкость ее примерно соответствует вязкости цитоплазмы, в то время как кислотность выше, т.к. здесь содержится много нуклеиновых кислот.

Кариоплазма осуществляет взаимосвязь всех ядерных структур в единое целое.

Ядрышко. Форма, размеры и количество ядрышек зависят от функционального состояния ядра и от интенсивности биосинтеза белка в клетке. Их может быть от 1 до 10 (а в клетках дрожжей их нет совсем). Часто в молодых клетках ядрышек несколько, а с возрастом остается только одно. Это связано с более активным синтезом белка молодой клеткой. Диаметр ядрышек – 1-2 мкм.

Основными химическими компонентами, из которых состоят ядрышки, являются кислые белки типа фосфопротеинов (около 80%) и РНК (10-15%). Кроме того, в нем обнаруживаются свободные или связанные фосфаты кальция, калия, магния, железа, цинка. Наличие ДНК в ядрышке не доказано, но при исследовании фиксированных клеток вокруг ядрышка всегда выделяется зона хроматина, часто отождествляемая с гетерохроматином ядрышкового организатора. Этот околоядрышковый хроматин, по данным электронной микроскопии, представляется как интегральная часть сложной структуры ядрышка.

Ядрышко – это немембранная структура ядра. Электронно-микроскопические исследования показали, что основу ядрышка образуют две субстанции:

1) фибриллярная – белковые нити толщиной 4-8 нм, свернутые в виде «клубка»;

2) гранулярная – плотные гранулы диаметром примерно 15 нм, расположенные в этом «клубке». Они состоят из РНК и белка (в весовом соотношении 50:50) и, таким образом, являются предшественниками рибосом.

Следовательно, функция ядрышка состоит в образовании или сборке рибосом, которыми снабжается цитоплазма.

Ядрышко присутствует только в интерфазном ядре. Во время митоза оно исчезает в профазе и появляется вновь в средней телофазе. Причем образуется ядрышко в районе ядрышкового организатора. Ядрышковый организатор – это определенные участки хромосом, расположенные за вторичными перетяжками, которые ответственны за образование ядрышка. Ядрышковые организаторы имеются не у всех хромосом. Так, в кариотипе человека их содержат 13, 14, 15, 21 и 22 пары хромосом.

Взаимосвязь наук, создавших молекулярную биологию.

Молекулярная биология возникла как наука в 30х годах двадцатого столетия. С тех пор эта наука расширяется захватывая приграничные области между химией, физикой и биологией. Первоначально молекулярная биология развивалась как биохимия нуклеиновых кислот. В дальнейшем молекулярная биология стала изучать путь передачи наследственной информации и биологического синтеза белковых структур.

Начав с изучения биологических процессов на молекулярно-атомном уровне, молекулярная биология перешла к сложным надмолекулярным клеточным структурам, а в настоящее время успешно решает проблемы генетики, физиологии, эволюции и экологии.

2. Основные этапы развития и наиболее крупные открытия в молекулярной биологии.

1. Романтический период 1935-1944гг.

Макс Дельбрюк и Сальвадор Лурия занимались изучением репродукции фагов и вирусов, представляющих собой комплексы нуклеиновых кислот с белками

В 1940г. Джордж Бидл и Эдуард Татум сформулировали гипотезу - "Один ген - один фермент". Однако, что такое ген в физико-химическом плане тогда еще не знали.

2. Второй романтический период 1944-1953гг.

Была доказана генетическая роль ДНК. В 1953 г. появилась модель двойной спирали ДНК, за которую ее создатели Джеймс Уотсон, Френсис Крик и Морис Уилкинс были удостоены Нобелевской премии.

3. Догматический период 1953-1962гг.

Сформулирована центральная догма молекулярной биологии:

Перенос генетической информации идет в направлении ДНК→РНК→БЕЛОК

В 1962 г. был расшифрован генетический код.

4. Академический период с 1962г. по настоящее время, в котором с 1974 года выделяют генно-инженерный подпериод.

Основные открытия

1944г. - Доказательство генетической роли ДНК. Освальд Эйвери, Колин Мак-Леод, Маклин Мак-Карти.

1953г. - Установление структуры ДНК. Джеймс Уотсон, Френсис Крик.

1961г. - Открытие генетической регуляции синтеза ферментов. Андре Львов, Франсуа Жакоб, Жак Моно.

1962г. - Расшифровка генетического кода. Маршалл Нирнберг, Генрих Маттеи, Северо Очоа.

1967г. - Синтез in vitro биологически активной ДНК. Артур Корнберг (неформальный лидер молекулярной биологии).

1970г. - Химический синтез гена. Гобинд Корана.

1970г. - Открытие фермента обратной транскриптазы и явления обратной транскрипции. Говард Темин, Дэвид Балтимор, Ренато Дульбеко.

1974г. - Открытие рестриктаз. Гамильтон Смит, Даниэль Натанс, Вернер Арбер.

1978г. - Открытие сплайсинга. Филипп Шарп.

1982г. - Открытие автосплайсинга. Томас Чек.

Ядро эукариотической клетки при микроскопии обычно выглядит как крупная округлая структура вблизи центра клетки.



Внутри ядра находится структура, называемая ядрышком. В нем находятся хромосомы, содержащие петли ДНК и большие скопления генов рибосомной рибонуклеиновой кислоты (рРНК). Каждое такое скопление генов называется ядрышковым организатором.

Ядерная оболочка – двойная мембранная структура, которая окружает хроматин и переходит в эндоплазматический ретикулум (ЭР). Внутренняя мембрана по составу белков отличается от наружной мембраны. Внутренний слой мембраны имеет волокнистую сеть белков, называемых ламинами, которые играют ключевую роль в поддержании структурной целостности мембраны. Наружная мембрана ядра переходит в мембрану ЭР и содержит белки, необходимые для связывания рибосом.

Ядерная пора и ядерный поровый комплекс – гигантские макромолекулярные комплексы, которые обеспечивают активный обмен белков и рибонуклеопротеидов между ядром и цитоплазмой. Ядерный поровый комплекс (ЯПК) формирует цилиндр, и имеет восьмиугольную симметрию. ЯПК состоит из 100-200 белков, он имеет массу 124х106 дальтон, что примерно в 30 раз больше массы рибосомы.

Этот комплекс – основные ворота для веществ, которые постоянно перемещаются внутрь ядра и из него. Например, матричная РНК (мРНК), субъединицы рибосом, гистоны, рибосомные белки, факторы транскрипции, ионы и мелкие молекулы быстро обмениваются между ядром и полостью эндоплазматического ретикулума или цитозолем.

Хромосомы (др. греч. χρῶμα - цвет и σῶμα - тело) - нуклеопротеидные структуры в ядре эукариотической клетки (клетки, содержащей ядро), которые становятся легко заметными в определённых фазах клеточного цикла (во время митоза или мейоза). Хромосомы представляют собой высокую степень конденсации хроматина, постоянно присутствующего в клеточном ядре. Хромосома - постоянный компонент ядра, отличающийся особой структурой, индивидуальностью, функцией и способностью к самовоспроизведению, что обеспечивает их преемственность, а тем самым и передачу наследственной информации от одного поколения растительных и животных организмов к другому.В ядре каждой соматической клетки организма человека содержится 46 хромосом. Набор хромосом каждого индивидуума, как нормальный, так и патологический, называется кариотипом. Из 46 хромосом, составляющих хромосомный набор человека, 44 или 22 пары представляют аутосомные хромосомы, последняя пара - половые хромосомы. У женщин конституция половых хромосом в норме представлена двумя хромосомами X, а у мужчин - хромосомами X и У. Во всех парах хромосом как аутосомных, так и половых одна из хромосом получена от отца, а вторая - от матери. Хромосомы одной пары называются гомологами, или гомологичными хромосомами. В половых клетках (сперматозоидах и яйцеклетках) содержится гаплоидный набор хромосом, т.е. 23 хромосомы.

Хроматин - основной компонент клеточного ядра. В среднем в хроматине 40% приходится на ДНК и около 60% на белки. В структурном отношении хроматин представляет собой нитчатые комплексные молекулы дезоксирибонуклеопротеида, которые состоят из ДНК, ассоциированной с гистонами и иногда еще с негистоновыми белками. Способность к дифференциальному окрашиванию легла в основу выявления двух фракций хроматина – гетеро – и эухроматина. Хейтц, открывший это явление, нашел, что определенные участки хромосом остаются в конденсированном состоянии в течении всего клеточного цикла и назвал их гетерохроматин, а участки, деконденсирующиеся в конце митоза и слабо окрашенные – эухроматином. Гетерохроматиновые участки функционально менее активны, чем эухроматиновые, в которых и локализована большая часть известных генов. Однако, гетерохроматин имеет определенное генетическое влияние; к примеру, определяющие пол хромосомы не могут рассматриваться как генетически неактивные, хотя они часто полностью состоят из гетерохрома тина. Кроме того, установлено, что стабильность генетического выражения эухроматина обуславливается близостью к гетерохроматину.

Дезоксирибонуклеи́новая кислота́ (ДНК) - макромолекула, обеспечивающая хранение, передачу из поколения в поколение и реализацию генетической программы развития и функционирования живых организмов. Основная роль ДНК в клетках - долговременное хранение информации о структуре РНК и белков.

С химической точки зрения ДНК - это длинная полимерная молекула, состоящая из повторяющихся блоков - нуклеотидов. Каждый нуклеотид состоит из азотистого основания, сахара (дезоксирибозы) и фосфатной группы. Связи между нуклеотидами в цепи образуются за счёт дезоксирибозы и фосфатной группы. В подавляющем большинстве случаев (кроме некоторых вирусов, содержащих одноцепочечную ДНК) макромолекула ДНК состоит из двух цепей, ориентированных азотистыми основаниями друг к другу. Эта двухцепочечная молекула спирализована. В целом структура молекулы ДНК получила название «двойной спирали».

В ДНК встречается четыре вида азотистых оснований (аденин, гуанин, тимин и цитозин). Азотистые основания одной из цепей соединены с азотистыми основаниями другой цепи водородными связями согласно принципу комплементарности: аденин соединяется только с тимином, гуанин - только с цитозином. Последовательность нуклеотидов позволяет «кодировать» информацию о различных типах РНК, наиболее важными из которых являются информационные, или матричные (мРНК), рибосомальные (рРНК) и транспортные (тРНК). Все эти типы РНК синтезируются на матрице ДНК за счёт копирования последовательности ДНК в последовательность РНК, синтезируемой в процессе транскрипции, и принимают участие в биосинтезе белков (процессе трансляции).

Принципы строения ДНК

1. Нерегулярность. Существует регулярный сахарофосфатный остов, к которому присоединены азотистые основания. Их чередование нерегулярно.

2. Антипараллельность. ДНК состоит из двух полинуклеотидных цепей, ориентированных антипараллельно. 3`-конец одной расположен напротив 5`-конца другой.

3. Комплементарность (дополнительность). Каждому азотистому основанию одной цепи соответствует строго определенное азотистое основание другой цепи. Соответствие задается химией. Пурин и пиримидин в паре образуют водородные связи. В паре A-Т две водородные связи, в паре Г-Ц - три.

4. Наличие регулярной вторичной структуры. Две комплементарные, антипараллельно расположенные полинуклеотидные цепи образуют правые спирали с общей осью.

Формы двойной спирали ДНК

Существуют несколько форм двойной спирали ДНК. В основной - В-форме на виток приходится 10 комплементарных пар. Плоскости азотистых оснований перпендикулярны оси спирали. Соседние комплементарные пары повернуты друг относительно друга на 36°. Диаметр спирали 20Å, причем пуриновый нуклеотид занимает 12Å, а пиримидиновый - 8Å. А-форма - 11 пар азотистых оснований на виток. Плоскости азотистых оснований отклонены от нормали к оси спирали на 20°. Отсюда следует наличие внутренней пустоты диаметром 5Å. Высота витка 28Å. Такие же параметры у гибрида из одной цепи ДНК и одной цепи РНК. С-форма - шаг спирали 31Å, 9.3 пар оснований на виток, угол наклона к перпендикуляру 6°. Все три формы - правозакрученные спирали. Есть еще несколько форм правых спиралей и всего одна левая спираль (Z -форма ). Высота витка в Z-форме -44.5 Å, на виток приходится 12 пар нуклеотидов. Ни А-, ни Z- формы не могут существовать в водном растворе без дополнительных воздействий (белки или суперспирализация).

Клетка – элементарная структурная, функциональная и генетическая единица в составе всех живых организмов.

Компоненты клетки. Каждая клетка состоит из двух основных компонентов – ядра и цитоплазмы.

Цитоплазма отделена от внешней среды плазматической мембраной (плазмолеммой) и содержит органеллы и включения, погруженные в клеточный матрикс (цитозоль, гиалоплазма ).

Органеллы – постоянные компоненты цитоплазмы, имеющие характерную структуру и специализированные на выполнении определенных функций в клетке.

Включения – непостоянные компоненты цитоплазмы, образованные в результате накопления продуктов метаболизма клеток.

Ядро включает в себя следующие компоненты: ядерную оболочку, хроматин, ядрышко и ядерный матрикс (нуклеоплазму).

Плазмолемма

Все клетки эукариотических организмов имеют пограничную мембрану – плазмолемму (цитолемма , плазматическая мембрана, внешняя клеточная мембрана ). Плазмолемма играет роль полупроницаемого селективного барьера, и с одной стороны, отделяет цитоплазму от окружающей клетку среды, а с другой – обеспечивает её связь с этой средой.

Функции плазмолеммы:

· поддержание формы клетки;

· регуляция переноса веществ и частиц в цитоплазму и из неё;

· распознавание данной клеткой других клеток и межклеточного вещества, прикрепление к ним;

· установление межклеточных контактов и передача информации от одной клетки к другой;

· взаимодействие с сигнальными молекулами (гормоны, медиаторы, цитокины) в связи с наличием на поверхности плазмолеммы специфических рецепторов к ним;

· осуществление движения клетки благодаря связи плазмолеммы с сократимыми элементами цитоскелета.

Химический состав плазмолеммы: липиды (фосфолипиды, холестерин), белки,

Молекулярное строение плазмолеммы описывается жидкостно-мозаичной моделью, согласно которой она состоит из липидного бислоя, в который погружены молекулы белков.

Липидный бислой представлен преимущественно молекулами фосфолипидов (таких как лецитин и цефалин), состоящими из двух длинных неполярных (гидрофобных) цепей жирных кислот и полярной (гидрофильной) головки. В состав большинства мембран входит также холестерин. В мембране гидрофобные цепи обращены внутрь бислоя, а гидрофильные головки – кнаружи. Состав липидов каждой из половин бислоя различен. Электронно-плотные слои соответствуют расположению гидрофильных участков липидных молекул, а разделяющий их светлый слой – гидрофобным.

Мембранные белки составляют более 50% массы мембран. Они удерживаются в липидном бислое за счет гидрофобных взаимодействий с молекулами липидов. Белки обеспечивают специфические свойства мембраны и играют различную биологическую роль: структурных молекул, ферментов, переносчиков и рецепторов. Мембранные белки подразделяются на 2 группы: интегральные и периферические. Периферические белки обычно находятся вне липидного бислоя и непрочно связаны с поверхностью мембраны. Интегральные белки представляют собой белки, либо полностью (собственно интегральные белки), либо частично (полуинтегральные белки) погруженные в липидный бислой. Часть белков целиком пронизывает всю мембрану (трансмембранные белки); они обеспечивают каналы, через которые транспортируется мелкие водорастворимые молекулы и ионы по обе стороны мембраны. Другие белки, которые мозаично распределены в пределах клеточной мембраны, могут иметь липидные (липопротеины) или углеводные (гликопротеины и протеогликаны) боковые цепи. Цепочки олигосахаридов, связанные с белковыми частицами (гликопротеины) или с липидами (гликолипиды), могут выступать за пределы наружной поверхности плазмолеммы, и образуют основу гликокаликса, надмембранного слоя, который выявляется под электронным микроскопом в виде рыхлого слоя умеренной электронной плотности. Углеводные участки придают клетке отрицательный заряд и являются важным компонентом специфических молекул – рецепторов. Рецепторы обеспечивают такие важные процессы в жизнедеятельности клеток, как распознавание других клеток и межклеточного вещества, адгезивные взаимодействия, ответ на действие белковых гормонов, иммунный ответ и.т.д. Гликокаликс является также местом концентрации многих ферментов, часть которых может образовываться не самой клеткой, а лишь адсорбироваться в слое гликокаликса.


Интегральные белки не фиксированы жестко в пределах плазмолеммы, и могут перемещаться путем диффузии в плоскости клеточной мембраны.

Плазмолемма – место обмена материала между клеткой и окружающей клетку средой. Мембранный транспорт может включать однонаправленный перенос молекулы какого-то вещества или совместный транспорт двух различных молекул в одном или противоположных направлениях.

Механизмы мембранного транспорта:

· пассивный транспорт;

· облегченный транспорт;

· активный транспорт;

· эндоцитоз (пиноцитоз; фагоцитоз; рецепторно-опосредованный эндоцитоз);

Пассивный транспорт – это процесс, который не требует затрат энергии, так как перенос мелких водорастворимых молекул (О 2 , Н 2 О, СО 2) и части ионов осуществляется путем диффузии. Такой процесс малоспецифичен, и зависит от градиента концентрации транспортируемой молекулы.

Облегченный транспорт также зависит от градиента концентрации и обеспечивает перенос более крупных гидрофильных молекул, таких как молекулы глюкозы и аминокислот. Этот процесс пассивный, но требует присутствия белков-переносчиков, обладающих специфичностью в отношении транспортируемых молекул.

Активный транспорт – процесс, при котором перенос молекул осуществляется с помощью белков-переносчиков против электрохимического градиента. Для осуществления этого процесса необходимы затраты энергии, которая высвобождается за счет расщепления АТФ. Примером активного транспорта служит натриево-калиевый насос: посредством белка-переносчика Na + -K + -АТФ-азы ионы Na + выводятся из цитоплазмы, а ионы К + одновременно переносятся в неё.

Эндоцитоз – процесс транспорта макромолекул из внеклеточного пространства в клетку. При этом внеклеточный материал захватывается в области впячивания (инвагинации) плазмолеммы, края впячивания затем смыкаются, и таким образом формируется эндоцитозный пузырек (эндосома), окруженный мембраной. Разновидностями эндоцитоза являются пиноцитоз, фагоцитоз, рецепторно-опосредованный эндоцитоз.

Пиноцитоз – захват и поглощение клеткой жидкости вместе с растворимыми в ней веществами.

Фагоцитоз – захват и поглощение клеткой плотных частиц (бактерии, простейшие, грибки, поврежденные клетки, некоторые внеклеточные компоненты).

Экзоцитоз – процесс обратный эндоцитозу. При этом мембранные экзоцитозные пузырьки, содержащие продукты собственного синтеза или непереваренные, вредные вещества, приближаются к плазмолемме и сливаются с ней своей мембраной, которая встраивается в плазмолемму. При этом содержимое экзоцитозного пузырька выделяется во внеклеточное пространство.

Трансцитоз – процесс, объединяющий эндоцитоз и экзоцитоз. На одной поверхности клетки формируется эндоцитозный пузырёк, который переносится к противоположной поверхности клетки и, становясь экзоцитозным пузырьком, выделяет свое содержимое во внеклеточное пространство. Такой процесс характерен для клеток, выстилающих кровеносные сосуды, - эндотелиоцитов, особенно в капиллярах.

Во время эндоцитоза часть плазмолеммы становится эндоцитозным пузырьком; во время экзоцитоза, напротив, мембрана встраивается в плазмолемму. Это явление называется мембранным конвейером.

МЕЖКЛЕТОЧНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ

Внешние клеточные мембраны участвуют в образовании межклеточных контактов, которые обеспечивают межклеточные взаимодействия.

Простое межклеточное соединение – сближение плазмолемм соседних клеток на расстояние 15-20 нм. Важную роль при этом играют клеточные рецепторы-гликопротеины, называемые клеточными адгезионными молекулами (КАМ), такие как кадгерины, интегрины, способные распознавать и связывать плазмолеммы соседних клеток. Интегрины – трансмембранные белки, внутриклеточная молекула интегрина через ряд других промежуточных белков (таких как винкулин, α-актинин) связана с цитоскелетом. Наружная часть молекулы через другие гликопротеины (фибронектин, ламинин) связана с клетками и молекулами внеклеточного матрикса. При этом плазмолеммы соседних клеток могут формировать интердигитации, то есть взаимные выпячивания двух соседних клеток. Такой тип межклеточных соединений усиливает механическую прочность соединения клеток и увеличивает площадь обменной поверхности.

Сложные межклеточные соединения – небольшие парные специализированные участки плазматических мембран соседних клеток. Сложные межклеточные соединения подразделяются на изолирующие (запирающие), сцепляющие, обусловливающие механическое сцепление и соединение клеток, и коммуникационные соединения, обеспечивающие химическую (метаболическую, ионную) и электрическую связь между клетками. Особенно ярко выражены межклеточные соединения в эпителиальных тканях.

К изолирующим соединениям относятся плотные контакты. Плотный контакт окружает апикальную часть клеток по периметру в виде пояска. Это область частичного слияния наружных листков плазмолемм двух соседних клеток. Специальные белки, образующие подобие ячеистой сети, как бы «сшивают» соседние плазмолеммы. Основная функция плотного контакта – блокировать проникновение и распространение веществ по межклеточному пространству.

К сцепляющим соединениям относят поясок сцепления и десмосомы. Для сцепляющих соединений характерно наличие слоя примембранных белков, примыкающих к цитоплазме в области контакта, к которым подходят фибриллярные элементы цитоскелета. Поясок сцепления также опоясывает клетки в виде ленты, но локализуется на латеральной поверхности клеточной мембраны ниже, чем плотный контакт. Здесь клетки связаны друг с другом интегральными гликопротеидами, к которым примыкает слой примембранных белков (винкулин и др.). С этим слоем связаны пучки актиновых микрофиламентов. Десмосома- парная структура, состоящая из утолщенных и уплотненных участков цитоплазмы, прилегающих к плазмолеммам соседних клеток, так называемых пластинок прикрепления, разделенных межклеточной щелью. Каждая пластинка прикрепления имеет форму диска (диаметр около 0.5 мкм) и содержит особые белки (десмоплакины и др.), к которым прикреплены пучки промежуточных филаментов (тонофиламентов). При этом находящиеся в межклеточном пространстве Са 2+- связывающие белки взаимодействуют с пластинками прикрепления, благодаря чему усиливается механическое сцепление клеток. Десмосомы не имеют определенной локализации и разбросаны по поверхности клетки.

Коммуникационные соединения представлены щелевыми контактами и синапсами. Щелевое соединение (нексус) представляет собой участок, где плазмолеммы разделены узкой межклеточной щелью. При этом в структуре плазмолемм соседних клеток друг против друга располагаются трубчатые трансмембранные структуры – коннексоны (из белка коннексина), которые образуют межцитоплазматические каналы, обеспечивающие свободный обмен низкомолекулярными соединениями между клетками. Число конексонов в одном щелевом контакте обычно исчисляется сотнями. Функциональная роль щелевых соединений заключается в переносе ионов и мелких молекул от клетки к клетке.

Синаптические соединения – высокоспециализированные контакты нервных клеток, проводящие импульсы в одном направлении. Синаптические контакты устанавливаются также между нейронами и мышечными и железистыми клетками.

ВКЛЮЧЕНИЯ

Включения цитоплазмы – непостоянные компоненты клетки, возникающие и исчезающие в зависимости от метаболического состояния клеток.

Включения подразделяются на трофические, секреторные, экскреторные и пигментные.

Трофические включения разделяются в зависимости от природы накапливаемого вещества на липидные, углеводные и белковые. Липидные включения – это капли нейтрального жира различного диаметра, которые накапливаются в цитоплазме и служат резервом энергетических субстратов, используемых клеткой. Из углеводных включений наиболее распространены гранулы гликогена (полимер глюкозы), эти включения также используются в качестве источника энергии. Примером белковых включений могут служить запасы белка вителлина в яйцеклетках животных. Они являются источником питания на ранних стадиях развития зародыша.

Секреторные включения имеют вид пузырьков, окруженные мембраной и содержащие биологически активные вещества, которые синтезируются в самой клетке, а затем выделяются (секретируются) во внешнюю среду

Экскреторные включения по своему строению сходны с секреторными, но в отличие от них, содержат вредные продукты метаболизма, подлежащие удалению из цитоплазмы клеток.

Пигментные включения представляют собой скопления эндогенных (синтезированных клеткой), или экзогенных (захваченных клеткой извне) окрашенных веществ - пигментов. Наиболее распространенными эндогенными пигментами являются гемоглобин, гемосидерин, билирубин, меланин, липофусцин; к экзогенным пигментам относят каротин, различные красители, пылевые частицы и др.

НЕКЛЕТОЧНЫЕ СТРУКТУРЫ

Клетки – основный элемент всех тканей, определяющий их свойства. Кроме клеток, в состав тканей входят и неклеточные структуры, которые являются производными клеток. К неклеточным структурам относят: межклеточное вещество, симпласты и синцитии.

Межклеточное вещество – продукт жизнедеятельности клеток данной ткани. Состав и физико-химические свойства межклеточного вещества зависят от типа ткани. Особенно велико содержание и важна функциональная роль межклеточного вещества в тканях внутренней среды (плазма крови, аморфное вещество и волокна волокнистых и скелетных соединительных тканей).

Симпласт – структура, образованная в результате слияния клеток с утратой их границ и формированием единой цитоплазматической массы, в которой находятся многочисленные ядра. К симпластам относятся волокна скелетной мышечной ткани, наружной слой трофобласта ворсинок хориона (в период эмбрионального развития), гигантские клетки очагов хронического воспаления, остеокласты костной ткани.

Синцитий – структура, возникающая вследствие неполной цитотомии при делении клеток, в результате чего дочерние клетки остаются связанными друг с другом с помощью тонких цитоплазматических мостиков. В организме человека имеется единственный синцитий, представленный частью сперматогенных элементов в семенных канальцах яичка.


ЦИТОЛОГИЯ

Органеллы.

Органеллы – постоянно присутствующие в цитоплазме структуры, имеющие определенное строение и специализированные на выполнении определенных функций в клетке. Они подразделяются на органеллы общего значения и специальные органеллы.

Органеллы общего значения имеются во всех клетках и необходимы для обеспечения их жизнедеятельности. К ним относятся: митохондрии, рибосомы, эндоплазматическая сеть (ЭПС), комплекс Гольджи, лизосомы, пероксисомы, клеточный центр, компоненты цитоскелета.

Специальные органеллы содержатся лишь в некоторых специализированных клетках, где они обеспечивают выполнение специальных функций. К специальным органеллам относят реснички, жгутики, миофибриллы, акросома. Все специальные органеллы образуются при развитии клетки как производные органелл общего значения, так, например, акросома спермия является производным комплекса Гольджи, реснички и жгутики – микротрубочек цитоскелета и т.д.

В состав многих органелл входит элементарная биологическая мембрана, поэтому органеллы подразделяются также на мембранные и немембранные. К мембранным органеллам относят митохондрии, ЭПС, комплекс Гольджи, лизосомы, пероксисомы; к немембранным органеллам – рибосомы, клеточный центр, компоненты цитоскелета, микроворсинки, реснички, жгутики.

Элементарная биологическая мембрана, входящая в состав клеточных органелл, по своему строению представляет собой бислой липидов со встроенными белками и сходна со строением плазмолеммы, но не идентична ей.

СИНТЕТИЧЕСКИЙ АППАРАТ КЛЕТКИ

Синтетический аппарат клеток включает органеллы, участвующие в синтезе различных веществ. К таким органеллам относятся рибосомы, эндоплазматическая сеть и комплекс Гольджи. Деятельность синтетического аппарата клетки контролируется активностью генов, локализованных в ядре.

Рибосомы – мелкие, плотные немембранные органеллы, диаметром 15-30 нм. Функция рибосом – синтез белка путем соединения аминокислот в полипептидные цепочки. Каждая рибосома состоит из двух субъединиц: большой и малой. Субъединицы образованы рибосомальными РНК (рРНК) и особыми белками (около 80 видов). Соотношение рРНК и белков равно 1:1. Субъединицы собираются в ядре из рРНК, которая образуется в ядрышке, и белков, которые синтезируются в цитоплазме и поступают в ядро. Затем субъединицы рибосом через ядерные поры перемещаются в цитоплазму, где они участвуют в синтезе белка.

Рибосомы могут встречаться в цитоплазме как отдельные гранулы (функционально неактивные, не транслирующие рибосомы), так и в форме скоплений – полирибосом (полисом) – активные рибосомы. Отдельные рибосомы полисом удерживаются вместе нитью информационной РНК.

Полисомы могут свободно располагаться в гиалоплазме, или быть прикрепленными к мембранам эндоплазматической сети (ЭПС). При этом белки, которые синтезируются на свободных полисомах, остаются в гиалоплазме и далее используются самой клеткой. Полисомы, которые своими большими субъединицами прикреплены к мембранам ЭПС, синтезируют белки, накапливающиеся в просвете цистерн ЭПС. В дальнейшем эти белки либо выводятся из клетки (например, пищеварительные ферменты, гормоны), либо остаются в клетке в структурах, ограниченных мембраной (например, лизосомы с набором лизосомальных ферментов, специфические гранулы лейкоцитов, и.т.д).

Рибосомы, в связи с наличием рРНК, интенсивно окрашиваются основными красителями (гематоксилин, метиленовый синий).

ЭНДОПЛАЗМАТИЧЕСКАЯ СЕТЬ

Эндоплазматическая сеть (ЭПС) – система уплощенных, трубчатых, везикулярных структур. Название органеллы обусловлено тем, что её многочисленные элементы (цистерны, трубочки, пузырьки) образуют единую, непрерывную трехмерную сеть. Степень развития ЭПС варьирует в различных клетках, и даже в разных участках одной и той же клетки, и зависит от функциональной активности клеток. Различают две разновидности ЭПС: гранулярную ЭПС (грЭПС) и гладкую, или агранулярную ЭПС (аЭПС), которые связаны между собой в переходной области.

Гранулярная ЭПС образована мембранными трубочками и уплощенными цистернами, на наружной (обращенной в сторону гиалоплазмы) поверхности которых расположены рибосомы и полисомы. Прикрепление рибосом происходит благодаря интегральным рецепторным белкам мембран грЭПС – рибофоринам. Эти же белки формируют гидрофобные каналы в мембране грЭПС для проникновения синтезированной белковой цепочки в просвет цистерн. Основная функция грЭПС: сегрегация (отделение) вновь синтезированных белковых молекул от гиалоплазмы. Таким образом, грЭПС обеспечивает: 1) биосинтез белков, предназначенных для экспорта из клетки; 2) биосинтез мембранных белков. Белковые молекулы накапливаются внутри просвета цистерн, приобретают вторичную и третичную структуру, а также подвергаются начальным посттрансляционным изменениям – гидроксилированию, сульфатированию, фосфорилированию и гликозилированию (присоединение к белкам олигосахаридов с образованием гликопротеинов).

ГрЭПС присутствует во всех клетках, но наиболее развита в клетках, специализирующихся на белковом синтезе: в эпителиальных клетках поджелудочной железы, вырабатывающих пищеварительные ферменты; в фибробластах соединительной ткани, синтезирующих коллаген; в плазматических клетках, продуцирующих иммуноглобулины

Агранулярная ЭПС (аЭПС) представляет собой трехмерную сеть мембранных трубочек, канальцев, пузырьков, на поверхности которых рибосомы отсутствуют .

Функции аЭПС: 1) участие в синтезе липидов, в том числе мембранных; 2) метаболизм (синтез и разрушение) гликогена; 3) синтез холестерина и стероидов; 4) нейтрализация и детоксикация эндогенных и экзогенных токсичных веществ; 5) накопление ионов Са 2+ (особенно в специализированной виде аЭПС – саркоплазматической сети мышечных клеток).

Обычно аЭПС занимает в цитоплазме меньший объем, чем грЭПС. Но в клетках, активно продуцирующих стероидные гормоны – клетки коркового вещества надпочечников, интерстициальные гландулоциты яичка, клетки желтого тела яичника – аЭПС занимает значительную часть объема клеток. Хорошо развита аЭПС и в клетках печени

КОМПЛЕКС ГОЛЬДЖИ

Комплекс Гольджи – мембранная органелла, образованная тремя основными элементами: 1) скопления уплощенных цистерн; 2) мелкими пузырьками; 3) конденсирующими вакуолями. Комплекс этих элементов называется диктиосомой. Некоторые типы клеток могут иметь до нескольких сотен диктиосом.

Цистерны (1) имеют вид изогнутых дисков с несколько расширенными периферическими отделами. Цистерны образуют группу в виде стопки из 3-30 элементов. Выпуклая сторона этой группы обращена обычно к ядру, вогнутая – к плазмолемме. От периферических расширений цистерн отщепляются пузырьки и вакуоли. Пузырьки (2) – мелкие (диаметр 40-80 нм), окруженные мембраной сферические элементы с содержимым умеренной электронной плотности. Вакуоли (3) – крупные (диаметр 0.1-1.0 мкм), сферические образования, отделяющиеся от зрелой поверхности комплекса Гольджи в некоторых железистых клетках. Вакуоли содержат секреторный продукт, находящийся в процессе конденсации.

Функции комплекса Гольджи:

1. синтез полисахаридов и гликопротеинов (гликокаликса, слизи);

2. модификация белковых молекул (терминальное гликозилирование – включение углеводных компонентов; фосфорилирование – добавление фосфатных групп; ацилирование – добавление жирных кислот; сульфатирование – добавление сульфатных остатков и т.д.;

3. конденсация секреторного продукта (в конденсирующих вакуолях) и образование секреторных гранул;

4. сортировка белков на транс-поверхности;

5. упаковка секреторных продуктов в мембранные структуры.

Секреторные продукты, обработанные в комплексе Гольджи, оказываются далее в секреторных гранулах (1), которые выделяются путем экзоцитоза или остаются в клетке (например, в виде специфических гранул зернистых лейкоцитов); в первичных лизосомах (2); или в окаймленных пузырьках (3), в которых интегральные белки транспортируются в плазмолемму.

МИТОХОНДРИИ

Митохондрии – мембранные органеллы, присутствующих во всех эукариотических клетках, и представляющие собой энергетический аппарат клетки.

Функции митохондрий:

1) основная – обеспечение клетки легко доступной энергией, которая образуется благодаря окислению метаболитов, и запасается частично в виде высоко-энергетических фосфатных связей АТФ;

2) участие в биосинтезе стероидов;

3) участие в окислении жирных кислот.

Митохондрии могут иметь эллиптическую, палочковидную или нитевидную форму. При специальных методах окраски митохондрии в световом микроскопе выглядят как короткие палочки, зерна или нити. Число митохондрий в разных клетках и их распределение в пределах клетки варьирует. Клетки содержат большое количество митохондрий – так, в клетке печени их около 800, - но всегда в числе, характерном для этого типа клетки. Много митохондрий встречается в клетках с активным метаболизмом, требующим высоких энергетических затрат: кардиомиоцитах, клетках почечных канальцев, париетальных клетках желез дна желудка и т.д.

Под электронным микроскопом митохондрии имеют характерную структуру. Каждая митохондрия состоит из наружной и внутренней мембран, между которыми находится межмембранное пространство. Внутренняя мембрана образует складки - кристы, обращенные внутрь митохондрии. Пространство, ограниченное внутренней мембраной, заполнено митохондриальным матриксом, - мелкозернистым материалом различной электронной плотности.

Наружная мембрана митохондрий содержит много молекул специализированных транспортных белков (например, порин), что обеспечивает её высокую проницаемость, а также белки-рецепторы, распознающие белки, которые переносятся через обе мембраны митохондрий в особых точках их контакта – зонах слипания.

Внутренняя мембрана митохондрий образует складки – кристы, благодаря чему значительно увеличивается внутренняя поверхность митохондрий. В состав внутренней мембраны входят транспортные белки; ферменты дыхательной цепи и сукцинатдегидрогеназа; комплекс АТФ-синтетазы. На кристах имеются элементарные частицы (оксисомы, или F 1 -частицы), состоящие из округлой головки (9 нм) и цилиндрической ножки. Именно на них происходит сопряжение процессов окисления и фосфорилирования (АДФ → АТФ). Чаще всего кристы располагаются перпендикулярно длинной оси митохондрий и имеют пластинчатую (ламеллярную ) форму. Для клеток, синтезирующих стероидные гормоны, кристы имеют вид трубочек или пузырьков - тубулярно-везикулярные кристы. В этих клетках ферменты стероидного синтеза частично локализуются на внутренней мембране митохондрий. Число и площадь крист отражает функциональную активность клеток: наибольшая площадь крист характерна, например, для митохондрий клеток сердечной мышцы, где потребность в энергии постоянно очень велика.

Митохондриальный матрикс – мелкозернистое вещество, заполняющее полость митохондрии. Матрикс содержит несколько сотен ферментов: ферменты цикла Кребса, окисления жирных кислот, белкового синтеза . Здесь иногда встречаются митохондриальные гранулы , а также локализуются митохондриальные ДНК, иРНК, тРНК, рРНК и митохондриальные рибосомы. Митохондриальные гранулы – частицы высокой электронной плотности диаметром 20-50 нм, содержащие ионы Са 2+ и Мg 2+ .

ЛИЗОСОМЫ

Лизосомы – мембранные органеллы, которые обеспечивают внутриклеточное переваривание (расщепление) макромолекул внеклеточного и внутриклеточного происхождения, и обновление компонентов клетки.

Морфологически лизосомы представляют собой округлые пузырьки, ограниченные мембраной и содержащие большое количество различных гидролаз (более 60 ферментов). Наиболее характерными ферментами лизосом являются: кислая фосфатаза, протеазы, нуклеазы, сульфатазы, липазы, гликозидазы. Все литические ферменты лизосом представляют собой кислые гидролазы, т.е. оптимум их активности проявляется при рН≈5. Литические ферменты синтезируются и накапливаются в грЭПС, далее переносятся в комплекс Гольджи, где модифицируются и упаковываются в мембраны. Мембрана лизосом (около 6 нм толщиной) обладает протонным насосом, вызывающим закисление среды внутри органелл, обеспечивает диффузию низкомолекулярных продуктов переваривания макромолекул в гиалоплазму и препятствует утечке литических ферментов в гиалоплазму. Повреждение мембраны приводит к разрушению клетки вследствие самопереваривания.

Лизосомы подразделяются на первичные (неактивные) и вторичные (активные).

Первичные лизосомы (гидролазные пузырьки) – округлые пузырьки небольшого размера (обычно около 50 нм диаметром), с мелкозернистым, гомогенным, плотным матриксом. Надежная идентификация первичных лизосом возможна только при гистохимическом выявлении характерных ферментов (кислая фосфатаза). Первичные лизосомы – неактивные структуры, еще не вступившие в процессы расщепления субстратов.

Вторичные лизосомы – органеллы, активно участвующие в процессах внутриклеточного переваривания. Диаметр вторичных лизосом обычно составляет 0.5-2 мкм, их форма и структура могут существенно варьировать в зависимости от перевариваемого субстрата, но обычно содержимое вторичных лизосом гетерогенно. Вторичная лизосома – результат слияния первичной лизосомы с фагосомой или аутофагосомой.

Фаголизосома формируется путем слияния первичной лизосомы с фагосомой - мембранным пузырьком, содержащим материал, захваченный клеткой извне. Процесс разрушения этого материала называется гетерофагией. Гетерофагия играет важную роль в функции всех клеток. Особое значение гетерофагия имеет для клеток, осуществляющих защитную функцию, таких как макрофаги и нейтрофильные лейкоциты, которые захватывают и переваривают болезнетворные микроорганизмы.

Дефицит лизосомальных ферментов может приводить к развитию ряда заболеваний (болезни накопления), вызванных накоплением в клетках непереваренных веществ, которые нарушают функцию клеток

Аутофаголизосома образуется при слиянии первичной лизосомы с аутофагосомой - мембранным пузырьком, содержащим собственные компоненты клетки, которые подлежат разрушению. Источником мембраны, окружающей клеточные компоненты, служит ЭПС. Процесс переваривания внутриклеточного материала называется аутофагией. Аутофагия обеспечивает постоянное обновление клеточных структур благодаря перевариванию митохондрий, полисом, фрагментов мембран. Частным случаем аутофагии является кринофагия – лизосомальное разрушение избытка невыведенного секрета.

Мультивезикулярное тельце – крупная вакуоль (диаметр 200-800 нм), окруженная мембраной, и содержащая мелкие мембранные пузырьки (эндосомы). Матрикс тельца содержит литические ферменты.

Остаточные тельца – лизосомы, содержащие непереваренный материал, которые могут находиться в цитоплазме длительное время.

ЦИТОСКЕЛЕТ

Цитоскелет – сложная трехмерная сеть немембранных органелл: микротрубочек, микрофиламентов, промежуточных филаментов и микротрабекул.

Основные функции цитоскелета:

1. поддержание и изменение формы клеток;

2. перемещение компонентов внутри клетки;

3. транспорт веществ внутрь клетки и из клетки;

4. обеспечение подвижности клетки;

5. участие в межклеточных соединениях (опоясывающий поясок, десмосомы);

6. участие в формировании других, более сложных клеточных органелл (клеточный центр, реснички, жгутики, микроворсинки).

Микротрубочки

Микротрубочки – наиболее крупные компоненты цитоскелета. Микротрубочки – полые цилиндрические образования различной длины, с диаметром 24-25 нм, с толщиной стенки 5 нм.

Стенка микротрубочки состоит из спирально расположенных нитей – протофиламентов, образованных димерами из глобулярных белковых молекул – α- и β-тубулина. Стенка микротрубочки образована 13 субъединицами-протофиламентами.

Таким образом, к функциям микротрубочек относятся:

1) поддержание стабильной формы клеток, и порядка распределения её компонентов;

2) обеспечение внутриклеточного транспорта, в том числе органелл, пузырьков, секреторных гранул (благодаря некоторым белкам, ассоциированным с микротрубочками);

3) образование основы центриолей и ахроматинового веретена деления и обеспечение движения хромосом в процессе митоза;

4) образование основы ресничек и жгутиков, а также обеспечение их движения.

Клеточный центр

Клеточный центр образован двумя полыми цилиндрическими структурами - центриолями, которые расположены под прямым углом друг к другу. В неделящейся клетке выявляется одна пара центриолей – диплосома, которая располагается обычно вблизи ядра. Перед делением клетки в S-периоде интерфазы происходит дупликация центриолей: под прямым углом к каждой зрелой (материнской) центриоли пары образуется новая (дочерняя) центриоль. В ранней профазе митоза пары центриолей расходятся к полюсам клетки и служат центрами образования микротрубочек ахроматинового веретена деления.

Реснички и жгутики

Реснички и жгутики являются выростами цитоплазмы, обладающие подвижностью. Основу ресничек и жгутиков составляет каркас из микротрубочек, называемый аксонемой.

В основании каждой реснички или жгутика лежит базальное тельце, сходное по строению с центриолью. На уровне апикального конца базального тельца микротрубочка С триплета заканчивается, тогда как микротрубочки А и В продолжаются в соответствующие микротрубочки аксонемы реснички. При развитии ресничек или жгутика базальное тельце играет роль матрицы, на которой происходит сборка компонентов аксонемы.

Микрофиламенты

Микрофиламенты – тонкие белковые нити диаметром 5-7 нм, расположенные в цитоплазме поодиночке, в виде сетей или упорядоченными пучками (в скелетной и сердечной мышцах).

Основной белок микрофиламентов – актин – встречается в клетках как в мономерной форме (глобулярный актин), так и в виде полимерного фибриллярного актина: глобулярные субъединицы в присутствии Са 2+ и цАМФ (циклического аденозин монофосфата) способны агрегировать в длинные цепи, состоящие из двух скрученных нитей фибриллярного актина. В микрофиламентах фибриллярный актин взаимодействует с рядом актин-связывающих белков, которые регулируют степень полимеризации актина или способствуют связыванию отдельных микрофиламентов в системы.

Функции микрофиламентов:

1. в мышечных волокнах и клетках актиновые микрофиламенты образуют упорядоченные пучки и при взаимодействии с миозиновыми филаментами обеспечивают их сокращение.

2. в немышечных клетках микрофиламенты образуют кортикальную (терминальную) сеть, в которой микрофиламенты сшиты с помощью особых белков (филамин и др.). Кортикальная сеть, с одной стороны, обеспечивает поддержание формы клетки, а с другой - способствует изменениям формы плазмолеммы, обеспечивая, таким образом, функции эндо- и экзоцитоза, миграции клеток, образования псевдоподий.

3. микрофиламенты тесно связаны (посредством белков минимиозинов) с органеллами, транспортными пузырьками, секреторными гранулами и играют важную роль в их перемещении внутри цитоплазмы.

4. микрофиламенты формируют сократимую перетяжку (срединное тельце) при цитотомии, завершающей клеточное деление.

5. микрофиламенты участвуют в организации структуры межклеточных соединений (zonula adherens – поясок сцепления).

6. микрофиламенты являются основой специальных выростов цитоплазмы – микроворсинок и стереоцилий.

Микроворсинки

Микроворсинки – пальцевидные выросты цитоплазмы клетки диаметром 0.1 мкм и длиной 1 мкм, основу которых образуют актиновые микрофиламенты. Основа каждой микроворсинки – пучок, содержащий около 40 микрофиламентов, расположенных вдоль её длинной оси. Микрофиламенты имеют поперечные сшивки из белков (фимбрин, виллин), и прикреплены к плазмолемме особыми белковыми мостиками (минимиозин). У основания микроворсинки микрофиламенты пучка вплетаются в терминальную сеть.

Стереоцилии – длинные, иногда ветвящиеся микроворсинки, имеющие каркас из микрофиламентов. Они встречаются редко (в главных клетках эпителия протока придатка семенника).

ЦИТОЛОГИЯ.

ЯДРО. ДЕЛЕНИЕ КЛЕТКИ

Ядро – важнейший компонент клетки, содержащий её генетический аппарат.

Функции ядра:

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

2.реализация генетической информации, контролирующей различные процессы в клетке: транскрипция информационных, рибосомальных, транспортных РНК → синтетическая активность; апоптоз и т.д.);

3.воспроизведение и передача генетической информации при делении клетки.

Обычно в клетке есть только одно ядро, однако встречаются многоядерные клетки.

Форма ядер в разных клетках различна: чаще форма ядра – сферическая (особенно в клетках округлой или кубической формы), но встречаются клетки с бобовидным, палочковидным, многолопастным, сегментовидным ядром. Чаще всего форма ядра соответствует форме клетки.

В ядре неделящейся (интерфазной) клетки выявляются следующие компоненты: ядерная оболочка (кариолемма), хроматин, ядрышко и кариоплазма.

Ядерная оболочка (кариолемма, нуклеолемма) на светооптическом уровне практически не определяется. Под электронном микроскопом обнаруживается, что она состоит из двух мембран – наружной и внутренней мембран, разделенных полостью шириной 15-40 нм – перинуклеарной цистерной.

Наружная мембрана составляет единое целое с мембранами грЭПС: на её поверхности имеются рибосомы, а перинуклеарная цистерна сообщается с цистерной грЭПС.

Внутренняя мембрана – гладкая, её интегральные белки связаны со слоем, состоящим из сети промежуточных филаментов (ламинов), - так называемой ламиной, или ядерной пластинкой. Ламина играет большую роль в поддержании формы ядра, укладке хроматина и структурной организации поровых комплексов.

В определенных точках наружная и внутренняя мембрана смыкаются, образуя ядерные поры.

Ядерная пора образована двумя параллельными кольцами диаметром 80 нм, содержащих по 8 белковых гранул, от которых к центру поры тянутся фибриллы, формирующие диафрагму толщиной около 5 нм. В середине диафрагмы лежит центральная гранула. Белковые гранулы ядерной поры структурно связаны с белками ядерной ламины. Совокупность компонентов, входящих в состав ядерной поры, называется комплексом ядерной поры.

Хроматин в интерфазной (неделящейся) клетке соответствует хромосомам и состоит из комплекса ДНК и белка. Выраженность спирализации каждой из хромосом неодинакова по длине. Соответственно, различают два вида хроматина: эухроматин и гетерохроматин.

Эухроматин соответствует участкам хромосом, которые деспирализованы и открыты для транскрипции . Эти участки не окрашиваются и не видны в световой микроскоп.

Гетерохроматин соответствует конденсированным сегментам хромосом, что делает их недоступными для транскрипции . Гетерохроматин интенсивно окрашивается основными красителями, и в световом микроскопе имеет вид мелких гранул и глыбок.

Половой хроматин (тельце Барра) – скопление гетерохроматина, соответствующее одной из пары Х-хромосом, которая в интерфазе плотно скручена и неактивна. Выявление полового хроматина используется как диагностический тест для определения генетического женского пола, что существенно при изучении генетических аномалий и, особенно, в спортивной медицине. Обычно анализируют эпителиальные клетки слизистой оболочки полости рта, где, как и в большинстве других клеток, половой хроматин выявляется как крупная глыбка гетерохроматина, лежащая рядом с ядерной оболочки. В нейтрофильных лейкоцитах крови половой хроматин имеет вид маленькой добавочной дольки ядра («барабанной палочки»).

Упаковка хроматина в ядре. В деконденсированном состоянии длина одной молекулы (двойной спирали) ДНК, образующей одну хромосому, составляет около 5 см, а общая длина молекул ДНК в ядре – более 2 м. Такие длинные нити ДНК компактно и упорядоченно упакованы в ядре диаметром всего 5-10 мкм. Компактная упаковка молекул ДНК осуществляется благодаря связи ДНК со специальными основными белками – гистонами.

Начальный уровень упаковки хроматина – нуклеосома с диаметром 11 нм. Нуклеосома состоит из блока, образованного комплексом из 8 молекул гистонов, на который намотана двойная нить ДНК (цепочка из 166 пар нуклеотидов). Нуклеосомы разделены короткими участками свободной ДНК (48 пар оснований). Нуклеосомная нить имеет вид нитки с бусинами, где каждая бусина – нуклеосома. Второй уровень упаковки также обусловлен гистонами и приводит к скручиванию нуклеосомной нити (виток из 6 нуклеосом) с формированием хроматиновой фибриллы диаметром 30 нм. Хроматиновые фибриллы образуют петли диаметром 300 нм. При делении клетки в результате еще более компактной укладки и сверхспирализации ДНК появляются хромосомы (диаметр 700 нм), видимые под световым микроскопом. Компактная упаковка ДНК в ядре обеспечивает упорядоченное расположение очень длинных молекул ДНК в небольшом объеме ядра, а также функциональный контроль активности генов.

Кроме гистоновых белков ДНК связана с негистоновыми белками, которые регулируют активность генов.

Ядрышко выявляется в интерфазном ядре на светооптическом уровне как мелкая (~ 1 мкм в диаметре), плотная сферическая структура, интенсивно окрашивающееся основными красителями. В электронном микроскопе можно различить три компонента, их которых состоит ядрышко:

1. Аморфный компонент, слабо окрашиваемый, представляет собой участки расположения ядрышковых организаторов: крупные петли ДНК, активно участвующих в транскрипции рибосомальной РНК;

2. Фибриллярный компонент состоит из множества нитей диаметром 5-8 нм, преимущественно во внутренней части ядрышка, и представляет собой длинные молекулы рРНК (первичные транскрипты);

3. Гранулярный компонент образован скоплением плотных мелких гранулярных частиц, представляющие собой зреющие субъединицы рибосом. Рибосомальные субъединицы образуется из рРНК, синтезированной в ядрышке, и белков, синтезированных в цитоплазме. Затем субъединицы рибосом транспортируются через ядерные поры в цитоплазму.

Фибриллярный и гранулярный компоненты ядрышка образуют ядрышковую нить – нуклеолонему, которая образует петлистую сеть, выделяющуюся большой плотностью на фоне менее плотного ядерного матрикса. Обычно ядрышко окружено гетерохроматином (перинуклеолярным хроматином).

Ядерный матрикс

Ядерный матрикс – компонент ядра, в котором располагаются хроматин и ядрышко. Ядерный матрикс образован кариоплазмой и кариоскелетом. Кариоплазма – жидкий компонент ядра, содержащий РНК, ионы, ферменты, метаболиты, растворенные в воде. Кариоскелет состоит из ламины и других фибриллярных белков.

КЛЕТОЧНЫЙ ЦИКЛ

Клеточный цикл – совокупность процессов, происходящих в клетке между двумя последовательными делениями или между её образованием и гибелью.

Клеточный цикл включает в себя собственно митотическое деление и интерфазу – промежуток между делениями.

ИНТЕРФАЗА

Интерфаза занимает около 90% всего времени клеточного цикла и подразделяется на три периода:

1. пресинтетический или постмитотический – G 1 (от англ. gap – промежуток);

2. синтетический – S;

3. постсинтетический или премитотический - G 2.

Пресинтетический период – G 1 – характеризуется активным ростом клетки, синтезом белка и РНК, благодаря чему клетка восстанавливает необходимый набор органелл и достигает нормальных размеров. G 1 период длится от нескольких часов до нескольких дней. В течение этого периода синтезируются особые «запускающие» белки – активаторы S периода. Они обеспечивают достижение клеткой точки R (точки ограничения), после которого она вступает в S-период. Если клетка не достигает точки R, она выходит из цикла и вступает в период репродуктивного покоя (G 0). Клетки некоторых тканей под влиянием определенных факторов способны возвращаться из периода G 0 в клеточный цикл, клетки других тканей утрачивают эту способность по мере дифференцировки. Абсолютное большинство дифференцированных клеток организма, выполняющих свои специфические функции, не делятся.

Синтетический период –S- характеризуется репликацией (удвоением содержания) ДНК, синтезом гистонов и других белков. В результате происходит удвоение числа хромосом. Одновременно удваивается число центриолей. S-период длится у большинства клеток 8-12 часов.

Постсинтетический период – G 2 - длится 2-4 часа и продолжается вплоть до митоза. В течение этого периода запасается энергия, и синтезируются белки, в частности тубулины, необходимые для процесса деления.

Митоз (кариокинез) является универсальных механизмом деления соматических клеток. Во время митоза родительская клетка делится, и каждая из дочерних клеток получает набор хромосом идентичный родительскому, и, таким образом, происходит равномерное распределение генетического материала. Продолжительность митоза – 1-3 часа.

Митоз включает 4 основные фазы: профазу, метафазу, анафазу и телофазу.

Профаза начинается с конденсации хромосом, которые становятся видимыми в световой микроскоп как нитевидные структуры. Каждая хромосома состоит из двух параллельно лежащих сестринских хроматид, связанных в области центромеры. Ядерная оболочка распадается на мембранные пузырьки и исчезает к концу профазы, так же как и ядрышко. Кариоплазма смешивается с цитоплазмой. Пары центриолей расходятся к противоположным полюсам клетки и дают начало микротрубочкам митотического (ахроматинового) веретена. В области центромеры образуются особые белковые комплексы – кинетохоры, к которым прикрепляются некоторые микротрубочки веретена (кинетохорные микротрубочки). Остальные микротрубочки веретена называются полюсными, так как они протягиваются от одного полюса клетки к другому. Микротрубочки вне веретена деления, расходящиеся радиально от клеточных центров к плазмолемме, называются микротрубочки сияния (астральные лучи).

В метафазе хромосомы выстраиваются в области экватора митотического веретена (в равной удаленности от центриолей противоположных полюсов), и образуют картину экваториальной (метафазной) пластинки (вид сбоку) или материнской звезды (вид со сторону полюсов). Сестринские хроматиды к концу этой фазы разделяются щелью, однако удерживаются в области центромеры.

Анафаза начинается с синхронного расщепления всех хромосом на сестринские хроматиды (в области центромеры) и движения дочерних хромосом к противоположным полюсам клеток, происходящего вдоль микротрубочек. Анафаза завершается скоплением на полюсах клетки двух идентичных наборов хромосом, которые образуют картину звезд (стадия дочерних звезд). В конце анафазы начинает образовываться клеточная перетяжка, благодаря сокращению актиновых микрофиламентов, концентрирующихся по окружности клетки.

Телофаза характеризуется реконструкцией ядер дочерних клеток и завершением их разделения. Ядерная оболочка восстанавливается, хромосомы постепенно деспирализуются, замещаясь картиной хроматина интерфазного ядра, а в конце телофазы вновь появляется ядрышко. Углубление клеточной перетяжки завершается полной цитотомией с формированием двух дочерних клеток. При этом происходит распределение органелл между дочерними клетками.

При повреждении митотического аппарата могут возникнуть атипические митозы, характеризующиеся неравномерным распределением генетического материала между клетками – анэуплоидией.

В 30-х годах 19 века шотландский ученый Роберт Броун (1773-1858) сделал очень важное открытие. Он обнаружил внутри клетки плотное круглое образование, которое назвал ядром.

Роберт Броун

Клеточное ядро выполняет две важнейшие функции. Во-первых, управляет делением, при котором образуются новые клетки, во всем подобные материнской. Во-вторых, регулирует все процессы белкового синтеза, обмена веществ и энергии, идущие в клетке.

Клеточное ядро - важнейшая часть клетки. Оно содержит хромосомы, несущие ДНК, в которой закодированы все свойства клетки. Ядро необходимо для осуществления двух важнейших функций. Во-первых, это деление, при котором образуются новые клетки, во всём подобные материнской. Во-вторых, ядро регулирует все процессы белкового синтеза, обмена веществ и энергии, идущие в клетке.

В отличие от некоторых низших растений и простейших, клетки которых содержат несколько ядер, высшие животные, растения и грибы состоят из клеток, в которых находится одно ядро. Оно имеет форму шара с диаметром от 3 до 10 мкм (рис. 11, 8).ф

Ядро клетки.

Мембрана ядра клетки или ядерная оболочка.

Ядро окружено оболочкой, состоящей из двух мембран,каждая из которых подобна плазматической мембране. Через определенные интервалы обе мембраны сливаются друг с другом, образуя отверстия диаметром 70 нм - ядерные поры. Через них осуществляется активный обмен веществами между ядром и цитоплазмой. Размеры пор позволяют проникать из ядра в цитоплазму даже крупным молекулам и частицам.

В ядрах всегда присутствует одно или несколько ядрышек (рис. 11, 9).

Ядрышко клетки.

Ядрышко формируется определенными участками хромосом; в нем образуются рибосомы.

Ядрышко - это высокоорганизованная структура внутри ядра. В составе ядрышка выявляются большие петли ДНК, содержащие гены РНК, которые с необычайно высокой скоростью транскрибируются РНК полимеразой I . Эти петли называются-"Ядрышковыми организаторами".

В отличие от цитоплазматических оргнанелл ядрышко не имеет мембраны, которое окружало бы его содержимое. Похоже, что оно образовано недозрелыми предшественниками рибосом, специфически связанными друг с другом неизвестным образом. Размер ядрышка отражает степень его функциональной активности, которая широко варьирует в различных клетках и может изменяться в индивидуальной клетке.

В ядрышке происходят транскрипция рибосомных генов, процессинг предшественников рРНК и сборка прерибосомных частиц из рибосомных белков и рРНК. Механизмы формирования ядрышка не ясны. В соответствии с одной из гипотез, ядрышко рассматривают как нуклеопротеиновый комплекс, спонтанно появляющийся в результате объединения регуляторных белково-нуклеиновых комплексов, возникающих на повторяющихся последовательностях рДНК во время их транскрипции. Действительно, гены рРНК человека организованы в виде 250 тандемно повторяющихся последовательностей длиной в 44 т.п.о. каждая, которые вместе с ассоциированными с ними белками формируют сердцевину ядрышка. Оно заполняется другими компонентами во время процессинга рРНК и сборки рибосомных субчастиц.

Также в ядре содержатся нитевидные образования - хромосомы. В ядре клетки человеческого тела (кроме половых клеток) содержится по 46 хромосом - носителей наследственных характеристик организма, передающихся от родителей потомству. В состав хромосом входит дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК). Она играет центральную роль в хранении и передаче наследственных свойств организма.

Ядерный матрикс

Этот комплекс не представляет собой какую-то чистую фракцию, сюда входят компоненты и ядерной оболочки, и ядрышка, и кариоплазмы. С ядерным матриксом оказались связаны как гетерогенная РНК, так и часть ДНК. Эти наблюдения дали основание считать, что матрикс ядра играет важную роль не только в поддержании общей структуры интерфазного ядра, но и может участвовать в регуляции синтеза нуклеиновых кислот.

Хроматин

При наблюдении некоторых живых клеток, особенно растительных или же клеток после фиксации и окраски, внутри ядра выявляются зоны плотного вещества. В состав хроматина входит ДНК в комплексе с белком. В интерфазных клетках хроматин может равномерно заполнять объем ядра или же располагаться отдельными сгустками (хромоцентры). Часто он особенно четко выявляется на периферии ядра (пристеночный, примембранный хроматин) или образует внутри ядра переплетения довольно толстых (около 0.3 мкм) и длинных тяжей, образующих подобие внутриядерной цепи.