Цитология

1. Клетка, как структурно-функциональная единица ткани. Общий план строения эукариотических клеток.

Основой строения эукариотических организмов является наименьшая единица живого – клетка. Клетка – это ограниченная активной мембраной, упорядоченная, структурированная система биополимеров, образующих ядро и цитоплазму, участвующих в единой совокупности метаболических и энергетических процессов, осуществляющих поддержание и воспроизведение всей системы в целом. Содержимое клетки отделено от внешней среды или от соседних клеток плазматической мембраной (плазмолеммой). Все эукариотические клетки состоят из двух основных компонентов: ядра и цитоплазмы. В ядре – хроматин (хромосомы), ядрышки, ядерная оболочка и нуклеоплазма (кариоплазма). Цитоплазма неоднородна по своему составу и строению включает в себя гиалоплазму (основную плазму), в которой находятся органеллы, каждая из них выполняет обязательную клеточную функцию. Часть органелл имеет мембранное строение: ЭПС, комплекс Гольджи, лизосомы, пероксисомы и митохондрии. Немембранные органеллы: центриоли, рибосомы, микротрубочки и микрофиламенты. Так же встречаются включения: жировые капли, пигментные гранулы и др.

2. Биологические мембраны клеток, их строение, химический состав и функции.

В липидном бислое фосфолипидные гидрофобные группы обращены во внутрь, а гидрофильные наружу. Белковые молекулы (интегральные белки) вмонтированы в плазмалемму. Если белковая молекула пронзает всю толщу мембраны – это трансмембранный белок. Если белковая молекула прикрепляется к поверхности мембраны – это периферические белки (внутренние – белки цитоскелета, наружные – рецепторные белки). Трансмембранные белки образуют ионные каналы. Мембранные белки: прикрепляют филаменты цитоскелета к клеточной мембране; прикрепляют клетки к экстрацеллюлярному матриксу (адгезионные молекулы); транспортируют молекулы в клетку или из неё (белки-переносчики, белки мембранных насосов, белки ионных каналов); действуют как рецепторы химического взаимодействия между клетками; обладают специфической ферментативной активностью. В клеточной мембране также присутствуют гликолипиды, холестерин (ограничивает латеральную текучесть фосфолипидов, делает мембрану менее текучей и более стабильной). Гликолипиды вовлечены в межклеточные взаимодействия. На поверхности выступают и молекулы углеводов, соединённые либо с гликолипидами, либо с белками. Между хвостами противолежащих молекул фосфолипидов есть лишь слабые гидрофобные связи, удерживающие две половины мембраны вместе. При замораживании-скалывании клеточная мембрана расщепляется вдоль так, что большая часть интегральных белков отходит к внутреннему листку, и лишь некоторые из них - наружному.

Функции: установление структурной целостности клетки; селективная проницаемость; регуляция межклеточных взаимодействий; узнавание, через рецепторы, антигенов, повреждённых клеток, чужих клеток; трансдукция внешнего химического и физического сигнала во внутриклеточное событие; служит разделом сред между цитоплазмой и внешним окружением; образует транспортные системы для особых молекул, как, например, глюкоза.

Гликокаликс – тонкая филаментозная сеть на поверхности клеток, отходящая от наружного листка плазмалеммы, состоящая из олигосахаридов, ковалентно связанных с гликолипидами и гликопротеинами плазмалеммы. Играет важную роль в определении иммунологических свойств клетки и её взаимодействии с другими клетками.

Кортикальный слой образован жёсткой сетью поперечно связанных белковых нитей из актина и актин-связанных белков, из которых самый распространённый – филамин. Образует слой, выстилающий Р-поверхность плазмалеммы.

3. Ядро, его значение в жизнедеятельности клеток, основные компоненты и их структурно-функциональная характеристика. Ядерно-цитоплазматические отношения как показатель функционального состояния клетки.

Ядро клетки – система генетической детерминации и регуляции белкового синтеза. Ядро обеспечивает две группы общих функций: одну, связанную собственно с хранением и передачей генетической информации, другую – с её реализацией, с обеспечением синтеза белка. Ядро состоит из хроматина, ядрышка, кариоплазмы (нуклеоплазмы) и ядерной оболочки, отделяющей его от цитоплазмы. В составе хроматина – ДНК в комплексе с белком. Хроматин представляет собой хромосомы, которые разрыхляются, деконденсируются. Зоны полной деконденсации – эутохроматин. Неполная деконденсация – гетерохроматин. Хромосомы клеток могут находится в двух структурно-функциональных состояниях: в активном (рабочем) – с участием хромосом в интерфазном ядре происходят процессы транскрипции и редупликации ; в неактивном – состояние метаболического покоя при максимальной их конденсированности, когда они выполняют функцию распределения и переноса генетического материала в дочерние клетки. Ядрышко – производное хромосомы, не является самостоятельной структурой или органеллой. Является местом образования рибосомных РНК и рибосом, на которых происходит синтез полипептидных цепей как я ядре, так и в цитоплазме. Ядерная оболочка состоит из внешней и внутренней мембран, разделённых перинуклеарным пространством. Содержит ядерные поры. Внешняя мембрана (контактирует с цитоплазмой клетки) – собственно мембранная система ЭПС. Внутренняя мембрана связана с хромосомным материалом ядра.

4. Цитоплазма. Общая морфофункциональная характеристика.

Цитоплазма клетки, отделённая от окружающей среды плазматической мембраной, включает в себя гиалоплазму, находящиеся в ней обязательные компоненты – органеллы, а также различные непостоянные структуры, включения. Гиалоплазма – матрикс цитоплазмы, представляет истинную среду клетки. Является сложной коллоидной системой, включающей в себя различные биополимеры: белки, нуклеиновые кислоты, полисахариды и др. Система способна переходить из золеобразного (жидкого) состояния в гелеобразное и обратно. К важнейшим ферментам гиалоплазмы относятся фермента метаболизма сахаров, азотистых оснований, аминокислот, липидов и других важных соединений. В гиалоплазме происходит синтез белков на полирибосомах. Через гиалоплазму осуществляется большая часть внутриклеточных транспортных процессов: перенос аминокислот, ЖК, нуклеотидов, сахаров. Здесь же происходит отложение запасных продуктов: гликогена, жировых капель, некоторых пигментов.

5. Классификация органелл, их структура и функции.

Главные мембранные цитоплазматические органеллы: митохондрии, ЭПС (гранулярная и гладкая), аппарат Гольджи, лизосомы. Главные немембранные органеллы: свободные рибосомы и полисомы, микротрубочки, центриоли, реснички, жгутики и филаменты (микрофиламенты, промежуточные филаменты).

ЭПС:

• Гранулярная – замкнутые мембраны, которые образуют на сечениях уплощённые мешки, цистерны или же имеют вид трубочек. Отличительной чертой этих мембран является то, что они со стороны гиалоплазмы покрыты рибосомами. Роль - процесс сегрегации, обособление этих синтезированных белков гиалоплазмы клетки; является местом образования как самих мембран вакуолярной системы, так и плазматической мембраны; на рибосомах происходит синтез интегральных белков, которые встраиваются в толщу мембраны.

• Гладкая – мембраны, образующие мелкие вакуоли и трубки, канальцы, которые могут ветвиться, сливаться друг с другом. Деятельность её связана с метаболизмом липидов и некоторых внутриклеточных полисахаридов. Сильно развита в клетках, секретирующих стероиды. Функция депонирования ионов кальция в поперечнополосатых мышцах.

Аппарат Гольджи: в диктиосоме расположены плоские мембранные мешки, или цистерны, между которыми располагаются тонкие прослойки гиалоплазмы. Кроме цистерн наблюдается множество вакуолей, которые встречаются в периферических участках зоны пластинчатого комплекса. Мембранные элементы комплекса участвуют в сегрегации и накоплении продуктов, синтезированных в цитоплазматической сети, участвуют в их химических перестройках, созревании, в цистернах происходит синтез полисахаридов, происходит процесс выведения готовых секретов за пределы клетки.

Лизосомы: разнообразный класс вакуолей, ограниченных одиночной мембраной. Характерный признак – гидролитические ферменты (гидролазы), расщепляющие различные биополимеры. Первичные лизосомы – мелкие мембранные пузырьки, заполненные бесструктурным веществом, содержащим активную кислую фосфатазу, маркерный для лизосом фермент. Вторичная лизосома (вакуоль) – первичные лизосомы + фагоцитарные или пиноцитозные вакуоли. Аутофагосомы – относятся к вторичным лизосомам, но с тем отличием, что в составе вакуолей встречаются фрагменты или целые цитоплазматические структуры. Роль – участие в процессах внутриклеточного расщепления как экзогенных, так и эндогенных биологических макромолекул.

Митохондрии: ограничены двумя мембранами. Внешняя отделяет их от гиалоплазмы (ровные контуры и замкнута – мембранный мешок). Внутренняя ограничивает собственно внутреннее содержимое митохондрий, её матрикс. Характерная черта внутренних мембран митохондрий – наличие крист. Функция – окисление органических соединений и использование освобождающейся при распаде этих соединений энергии для синтеза АТФ.

Микротрубочки: белковые структуры, не имеющие мембранного строения, в цитоплазме могут образовывать временные сложные образования, например веретено клеточного деления. Микротрубочки, выделенные из разных источников, имеют сходный состав и содержат белки – тубулины. Функция – принимают участие в создании ряда временных или постоянных структур – внутриклеточный каркас или цитоскелет, веретено клеточного деления, реснички и жгутики, центриоли.

Включения: необязательные компоненты. Возникают и исчезают в зависимости от метаболического состояния клеток. Различают трофические, секреторные, экскреторные, пигментные. К включениям относятся капельки нейтральных жиров, которые могут накапливаться в гиалоплазме. В случае недостатка субстратов для жизнедеятельности клетки эти капельки могут реабсорбироваться. Другим видом включений резервного характера является гликоген, полисахарид, откладывающийся также в гиалоплазме.

6. Эндоплазматическая сеть, ее структура и функции.

ЭПС:

• Гранулярная – замкнутые мембраны, которые образуют на сечениях уплощённые мешки, цистерны или же имеют вид трубочек. Отличительной чертой этих мембран является то, что они со стороны гиалоплазмы покрыты рибосомами. Роль - процесс сегрегации, обособление этих синтезированных белков гиалоплазмы клетки; является местом образования как самих мембран вакуолярной системы, так и плазматической мембраны; на рибосомах происходит синтез интегральных белков, которые встраиваются в толщу мембраны.

• Гладкая – мембраны, образующие мелкие вакуоли и трубки, канальцы, которые могут ветвиться, сливаться друг с другом. Деятельность её связана с метаболизмом липидов и некоторых внутриклеточных полисахаридов. Сильно развита в клетках, секретирующих стероиды. Функция депонирования ионов кальция в поперечнополосатых мышцах.

7. Включения, их классификация, химическая и морфофункциональная характеристика. Физико-химические свойства гиалоплазмы.

Необязательные компоненты. Возникают и исчезают в зависимости от метаболического состояния клеток. Различают трофические, секреторные, экскреторные, пигментные. К включениям относятся капельки нейтральных жиров, которые могут накапливаться в гиалоплазме. В случае недостатка субстратов для жизнедеятельности клетки эти капельки могут реабсорбироваться. Другим видом включений резервного характера является гликоген, полисахарид, откладывающийся также в гиалоплазме.

8. Репродукция клеток.

Различают два основных способа размножения клеток:

митоз (кариокенез) - непрямое деление клеток, которое присуще в основном соматическим клеткам;

мейоз или редукционное деление - характерно только для половых клеток.

Митоз подразделяется на 4 фазы: профаза; метафаза; анафаза; телофаза.

В каждой фазе происходят определенные структурные преобразования.

Профаза характеризуется морфологическими изменениями ядра и цитоплазмы. В ядре происходит: конденсация хроматина и образование хромосом, состоящих из двух хроматид, исчезновение ядрышка, распад кариолеммы на отдельные пузырьки. В цитоплазме отмечается редупликация (удвоение) центриолей и расхождение их к противоположным полюсам клетки, формирование из микротрубочек веретена деления, репродукция зернистой эндоплазматической сети, а также уменьшение числа свободных и прикрепленных рибосом.

В метафазе происходит образование метафазной пластинки, или материнской звезды, неполное обособление сестринских хроматид друг от друга.

Анафаза характеризуется полным обособлением (расхождением) хроматид и образованием двух равноценных диплоидных наборов хромосом, расхождением хромосомных наборов к полюсам митотического веретена и расхождением самих полюсов.

Телофаза характеризуется деконденсацией хромосом каждого хромосомного набора, формированием из пузырьков ядерной оболочки, цитотомией - перетяжкой двуядерной клетки на две дочерние самостоятельные клетки, появлением ядрышка в ядрах дочерних клеток.

Интерфаза подразделяется на 3 периода:

J1, или пресинтетический; S, или синтетический; J2, или постсинтетический.

Эндорепродукция – образование клеток с увеличенным содержанием ДНК. Появление таких клеток происходит в результате полного отсутствия или незавершённости отдельных этапов митоза.

Амитоз – прямое деление клетки, у которой ядро находится в интерфазном состоянии. При этом не происходит конденсации хромосом и образования веретена деления.

9. Жизненный цикл клетки: его этапы, морфофункциональная характеристика.

Увеличение числа клеток, их размножение происходят путем деления исходной клетки. Делению клеток предшествует редупликация их хромосомного аппарата, синтез ДНК. Это правило является общим для прокариотических и эукариотических клеток. Время существования клетки как

таковой, от деления до деления или от деления до смерти, называют клеточным циклом (cyclus cellularis). Во взрослом организме высших позвоночных клетки различных тканей и органов имеют неодинаковую способность к делению. Встречаются популяции клеток, полностью потерявшие свойство делиться. Это большей частью специализированные, дифференцированные клетки (например, зернистые лейкоциты крови). В организме есть постоянно обновляющиеся ткани — различные эпителии, кроветворные ткани. В таких тканях существует часть

клеток, которые постоянно делятся, заменяя отработавшие или погибающие клеточные типы (например, клетки базального слоя покровного эпителия, клетки крипт кишечника, кроветворные клетки костного мозга). Многие клетки, не размножающиеся в обычных условиях, и приобретают вновь это свойство при процессах репаративной регенерации органов и тканей. Размножающиеся клетки обладают разным количеством ДНК в зависимости от стадии клеточного цикла. Это наблюдается при размножении как соматических, так и половых клеток.

Весь клеточный цикл состоит из 4 отрезков времени: собственно митоза (М), пресинтетического (G1), синтетического (S) и постсинтетического (G2) периодов интерфазы. Митоз включает в себя 4 фазы: профаза, метафаза, анафаза, телофаза. В G1-периоде, наступающем сразу после деления, клетки имеют диплоидное содержание ДНК на одно ядро (2с). После деления в период G1 в дочерних клетках общее содержание белков и РНК вдвое меньше, чем в исходной родительской клетке. В период G1 начинается рост клеток главным образом за счет накопления клеточных белков, что обусловлено увеличением количества РНК на клетку. В этот период начинается подготовка клетки к синтезу ДНК (S-период). В следующем, S-периоде происходит удвоение количества ДНК на ядро и соответственно удваивается число хромосом. В разных клетках, находящихся в S-периоде, можно обнаружить разные количества ДНК — от 2 до 4 с. Постсинтетическая (G2) фаза называется также премитотической. В данной фазе происходит синтез иРНК, необходимый для прохождения митоза. Несколько ранее этого синтезируется рРНК. Среди синтезирующихся в это время белков особое место занимают тубулины — белки митотического веретена. В конце G2-периода или в митозе синтез РНК резко падает и полностью

прекращается во время митоза. Синтез белка во время митоза достигает своего максимума в G2-периоде. В растущих тканях растений и животных всегда есть клетки, которые находятся как бы вне цикла. Такие клетки принято называть клетками Go-периода. Это клетки, которые после митоза не вступают в пресинтетический период (G1). Именно они представляют собой покоящиеся, временно или окончательно переставшие размножаться клетки. В некоторых тканях такие клетки могут находиться длительное время, не изменяя своих морфологических свойств: они сохраняют способность к делению. Это камбиальные клетки (например, стволовые в кроветворной ткани). Чаще потеря способности делиться сопровождается специализацией и дифференцировкой. Такие дифференцирующиеся клетки выходят из цикла, но в особых условиях могут снова входить в цикл. Например, большинство клеток печени находится в G0-nepиоде; они не синтезируют ДНК и не делятся. Однако при удалении части печени у экспериментальных животных многие клетки начинают подготовку к митозу (G1-период), переходят к синтезу ДНК и могут митотически делиться. В других случаях, например в эпидермисе кожи, после выхода из цикла размножения и дифференцировки клетки некоторое время функционируют, а затем погибают (ороговевшие клетки покровного эпителия). Многие клетки теряют полностью

способность возвращаться в митотический цикл. Так, например, нейроны головного мозга и кардиомиоциты постоянно находятся в G0-периоде (до смерти организма).

10. Основные положения клеточной теории и значение в развитии биологии и медицины.

• Клетка – наименьшая единица живого. «Клетка есть последний морфологический элемент всех живых тел, и мы не имеем права искать настоящей жизнедеятельности вне её»; «Жизнь есть способ существования белковых тел, и этот способ существования состоит по своему существу в постоянном самообновлении химических составных частей этих тел».

• Сходство клеток разных организмов по строению. Сходство, гомология, в строении клеток определяется одинаковостью общеклеточных функций, связанных с поддержанием самой живой системы.

• Размножение клеток путём деления исходной клетки. «Всякая клетка от клетки». Размножение клеток происходит только путём деления исходной клетки, которому предшествует воспроизведение её генетического материала. Виды деления: митоз, мейоз, амитоз.

• Клетки как части целостного организма. Каждое проявление деятельности целого организма, будь то реакция на раздражение или движение, иммунные реакции и многое другое, осуществляется специализированными клетками.