Гистология, эмбриология, цитология. Данилов Р.К.

Глава 4. Основы Общей Цитологии

Цитология - наука об общих закономерностях развития, строения и функций клеток. Первые обобщенные представления о строении клеток были сформулированы Ж.Б. Карнуа в 1884 г. в книге «Биология клетки». В ХХ столетии цитология (биология клетки) выделилась как самостоятельная наука, изучающая закономерности развития клеток, их строение и функции.

Клетка (от лат. cellula) - это микроскопической величины живая система, ограниченная биологической мембраной, состоящая из ядра и цитоплазмы, обладающая свойствами раздражимости и реактивности, регуляции состава внутренней среды и самовоспроизводства. Клетка является основой развития, строения и функций всех животных и растительных организмов (рис. 4.1). Как обособленная единица живого, она обладает признаками индивидуального целого. В то же время в составе многоклеточных организмов клетка является структурной и функциональной частью целого. Если в одноклеточных организмах клетка выступает в роли индивидуума, то в многоклеточных животных организмах различают соматические клетки, составляющие тело организма, и половые клетки, обеспечивающие воспроизведение организмов.

Современная цитология представляет собой науку о природе и филогенетических связях клеток, основах их функций и специальных свойств. Следует отметить особое значение цитологии для медицины. Патологические изменения в клетках возникают, как правило, до появления симптомов болезни и характеризуются разной степенью выраженности, что определяет тяжесть заболевания и его исход. В процессе выздоровления происходит полное или частичное восстановление клеточных функций. Большое значение в современной диагностике и лечении заболеваний имеют цитологический анализ крови, костного мозга, спинномозговой жидкости, плевральной жидкости, кариотипирование, апробирование лекарственных препаратов на культурах клеток и др. Метод клонирования позволяет создавать и использовать запасы здоровых клеток для восстановления структуры и функций пораженных болезнью органов.

Несмотря на большие достижения в области современной биологии клетки, непреходящее значение для развития идей о клетке имеет клеточная теория.

В 1838 г. немецкий зоолог-исследователь Т. Шванн впервые указал на го-мологичность, или сходство, клеток растительных и животных организмов. Позже он сформулировал клеточную теорию строения организмов. Поскольку при создании этой теории Т. Шванн широко использовал результаты наблюдений немецкого ботаника М. Шлейдена, последнего по праву считают соавтором клеточной теории. Стержнем теории Шванна- Шлейдена является тезис о том, что клетки представляют собой структурно-функциональную основу всех живых существ.

Рис. 4.1. Схема строения животной клетки: 1 - ядро; 2 - цитоплазма; 3 - микроворсинки; 4 - рибосомы; 5 - гранулярная эндоплазматическая сеть; 6 - гладкая эндоплазматическая сеть; 7 - комплекс Гольджи; 8 - лизосома; 9 - митохондрия; 10 - клеточный центр; 11 - микротрубочки; 12 - десмосома (по Н.Б. Христолюбовой, 1962, с изменениями)

В конце XIX столетия немецкий патолог Р. Вирхов пересмотрел и дополнил клеточную теорию собственным важным выводом. В книге «Целлюляр-ная патология как учение, основанное на физиологической и патологической гистологии» (1855-1859) он обосновал фундаментальное положение о пре­емственности клеточного развития. Р. Вирхов, в противоположность Т. Шванну, отстаивал взгляд на образование новых клеток не из цитобластемы - бесструктурной живой субстанции, а путем деления предсуществующих клеток (от лат. omnis cellula e cellula). Лионский патолог Л. Барр подчеркнул специфичность тканей, дополнив: «Каждая клетка от клетки той же природы».

Рудольф Вирхов (1821-1902)

Следует вспомнить, что через 100 лет основные положения клеточной теории были пересмотрены в связи с учением О.Б. Лепешинской. Ее труду «Происхождение клеток из живого вещества и роль живого вещества в организме», изданному в 1950 г., была присуждена Сталинская премия 1-й степени. Под живым веществом автор понимала белок, или протоплазму, не имеющую структуры клетки, но содержащую ядерное вещество (то есть нуклеиновые кислоты) в «распыленном» состоянии. Борьба сторонников и противников этой «новой клеточной теории» существенным образом отразилась на судьбах многих отечественных ученых и их последователей и значительно повлияла на развитие отечественной биологической науки.

Первое положение клеточной теории в ее современной трактовке гласит: клетка является элементарной структурно-функциональной единицей живой материи.

Второе положение указывает на то, что клетки разных организмов гомологичны по своему строению. Гомологичность подразумевает сходство клеток по основным свойствам и признакам и отличие - по второстепенным. Гомологичность строения определяется общеклеточными функциями, которые направлены на поддержание жизни клеток и их воспроизводство. В свою очередь, разнообразие строения является результатом функциональной специализации клеток, в основе которой лежат молекулярные механизмы активации и репрессии генов, составляющие понятие «клеточная детерминация».

Третье положение клеточной теории заключается в том, что различные клетки происходят путем деления исходной материнской клетки.

Достижения биологии, связанные с научно-техническим прогрессом, дали новые доказательства правильности клеточной теории как одной из важнейших теорий, раскрывающей закономерности развития живого.

4.1. Морфофункциональные Системы Клетки

В организме клетки объединяются в функциональные системы - ткани и являются их ведущей структурно-функциональной единицей. Известно около 200 разновидностей клеток. Форма, размеры, внутренняя структура и функции клеток весьма разнообразны. Размеры клеток человека колеблются от 5 до 100 мкм и более. По форме клетки могут быть округлыми, кубическими, столбчатыми, веретеновидными, плоскими, звездчатыми и т.п. Различают одноядерные и многоядерные клетки. Последние возникают в результате аци-токинетических митозов или путем слияния многих клеток (симпласты). При делении клеток могут временно сохраняться цитоплазматические мостики (участки относительно широких цитоплазматических соединений между соседними клетками) - так возникают синцитии. Специализация клеток может протекать путем стойкого уплотнения содержимого ядра, уменьшения числа хромосом (например, в половых клетках), выброса ядра и возникновения безъядерной постклеточной структуры, как это происходит при дифференци-ровке эритроцитов человека.

Несмотря на большое разнообразие форм, размеров, способов взаимосвязи и функций тканевых клеток, большинству из них присущи важнейшие общебиологически и эволюционно обусловленные свойства живого: генетическая индивидуальность и способность передавать ее поколениям, реактивность и раздражимость, обмен веществ и подвижность. Эти четыре свойства живого обеспечиваются следующими комплексами взаимосвязанных и взаимодействующих структур, или системами, клетки: покровной, или пограничной, системой (плазмолемма), системой восприятия, трансформации и передачи сигналов (рецепторно-трансдукторной), внутренней метаболической средой (органеллы, ядро, включения и др.) и опорно-двигательной системой.

4.1.1. Покровная система клетки (плазмолемма)

Плазмолемма (клеточная мембрана) обеспечивает дискретность живого вещества клетки за счет разграничения его с внешней средой (микроокружением), генетическую индивидуальность клетки, рецепторную функцию, подчиняющую клетку воздействиям регулирующих факторов, транспорт веществ в клетку и из нее. Данные функциональные свойства плазмолеммы связаны с ее молекулярной организацией.

Плазмолемма образована бимолекулярным слоем полярных липидов (преимущественно фосфолипидов - лецитина и цефалина, а также сфинголипидов, гликолипидов и холестерина) и встроенными в плазмолемму молекулами глобулярных белков (рис. 4.2). Соотношение белок/липиды в наружном и внутреннем молекулярных слоях плазмолеммы различно, но в целом в большинстве случаев приближается к 1:1. Гидрофобные хвосты липидных молекул спрятаны от водных сред - гиалоплазмы и внешней среды - и направлены друг к другу (6), а гидрофильные головки (5) обращены в сторону содержащих воду фаз. В отдельных участках бислоя фосфолипидов присутствуют молекулы холестерина, придающие мембране жесткость. В этих участках мембрана, как правило, слабо эластична, в связи с чем здесь не происходят процессы эндо-и экзоцитоза.

Рис. 4.2. Мозаичная модель клеточной мембраны (а) и слои мембраны по линии замораживания - скалывания (б) (стрелка): 1 - интегральный белок; 2 - полисахариды гликокаликса; 3 - полуинтегральные белки; 4 - периферический белок; 5 - слой гидрофильных головок липидных молекул; 6 - гидрофобные концы бислоя липидных молекул; 7 - эпитоп молекулы гистосовместимости I класса. Пояснения в тексте

Обращенные в межклеточную среду головки отдельных фосфолипидных молекул связаны с молекулами олигосахаров (2) - элементами гликокаликса. Липидные молекулы плазмолеммы обеспечивают ее основные физико-химические свойства, в первую очередь, текучесть мембраны, допускающую свободное перемещение составляющих ее молекул. Например, с помощью метода электронного парамагнитного резонанса наблюдали, что, кроме бокового движения, липидные молекулы способны осуществлять вращение и переходить (перескакивать) из слоя в слой. В здоровых клетках в билипидном слое плазмолеммы всегда поддерживается естественная асимметрия концентрации разных представителей липидов. Так, концентрация фосфатидилсерина, несущего суммарный отрицательный заряд, выше во внутреннем слое, поэтому внутренняя поверхность клеточной оболочки заряжена отрицательно по отношению к наружной поверхности. Гликосфинголипиды находятся исключительно в наружном слое плазмолеммы, поскольку выполняют внешнюю рецепторную функцию.

Белковые компоненты плазмолеммы представлены: структурными белками, отвечающими за форму клетки, ее механические и иные свойства; транспортными белками, обеспечивающими перенос веществ в клетку и из клетки; белками, создающими межклеточные связи, и белками-переносчиками сигналов от клетки к клетке. По локализации в составе плазмолеммы различают интегральные, или трансмембранные белки (1), полуинтегральные (3) и периферические (4) белки. Интегральные белки полностью (трансмембранно) располагаются в билипидном слое плазмолеммы благодаря алифатическим (липофильным) аминокислотам в составе своих молекул. Наружные гидрофильные концы интегральных белков образуют связи с остатками сахаров гликокаликса и с периферическими белками.

Трансмембранные белки подразделяются на монотопные - пересекающие бислой один раз (то есть имеющие один трансмембранный домен), и политопные (имеющие более одного трансмембранного домена). Большинство политопных белков принадлежит к группе рецепторов, обладающих уникальным свойством активировать специальные пути передачи сигнала внутри клетки. Полуинтегральные белки погружены в бимолекулярный слой липидов частично. Поскольку весь набор белковых молекул распределен в мембране мозаично и легко перемещается в ее плоскости с участием элементов цитоскелета, полуинтегральные белки внешнего и внутреннего слоев могут «сопоставляться», имитируя единый трансмембранный белок. Периферические белки располагаются вне липидного бислоя - в гиалоплазме или на наружной поверхности плазмолеммы и непрочно связаны с последней. Примерами периферических белков являются: фибронектин (локализован на наружной поверхности плазмолеммы) и спек-трин (находится на внутренней поверхности плазмолеммы). Белковые молекулы выполняют ряд специальных функций - рецепции, трансмембранных переносчиков, ферментативную.

Гликокаликс составляет внешний слой клеточной оболочки. Это обогащенная углеводами периферическая зона внешнего покрытия плазмолеммы большинства эукариотических клеток (рис. 4.3).

Рис. 4.3. Апикальная поверхность столбчатого эпителиоцита тонкой кишки: 1 - микроворсинки; 2 - гликокаликс; электронная микрофотография (увеличение 24 000) (по С. Ито)

Его формируют молекулы протеогликанов, состоящие из основных белков (синдеканов, глипиканов, перлеканов), связанных с боковыми цепями дисахаридов (гликозаминогликанов), и сиалопротеины. Протеогликаны поглощают воду, придавая гликокаликсу гелеобразную структуру, которая поддерживает клетку в гидратированном (обводненном) состоянии и способствует усилению изолирующих свойств плазмолеммы. Протеогликаны являются активными кopeцeптopaми факторов роста, влияющих на физиологию клетки. В составе гликокаликса присутствуют разные семейства молекул клеточной адгезии, позволяющие клеткам взаимодействовать друг с другом и с межклеточным веществом. Гликокаликс придает плазмолемме дополнительную механическую прочность, участвует в распознавании родственных клеток, рецепции специфических сигналов. В электронном микроскопе гликокаликс имеет вид рыхлого слоя (при окраске альциановым синим или рутением красным в виде бахромки) умеренной электронной плотности, покрывающего внешнюю поверхность клеточной мембраны. Деструкция гликокаликса часто становится одним из первых признаков патологического поражения клетки.

Исследование гликокаликса клеток и его фрагментов при патологических процессах способствует совершенствованию способов ранней диагностики поражений органов.

Со стороны внутренней поверхности плазмолеммы располагается тонкий кортикальный слой гиало­плазмы (кортекс) с множеством ми-крофиламентов (преимущественно актиновых). Этот слой связан с периферическими белками плазмолеммы и цитоскелетом (рис. 4.4). Он также дает плазмолемме некоторый запас прочности и участвует в поддержании клеткой ее формы.

Рис. 4.4. Схема строения кортекса: 1 - плазмолемма; 2 - актиновые филаменты; 3 - актинсвязывающие белки (линкерные); 4 - внутренняя поверхность плазмолеммы

С молекулярной организацией плазмолеммы тесно связано такое важнейшее свойство, как генетическая индивидуальность живого. В составе плазмолеммы находятся разные классы молекулы гистосовместимо­сти - гликопротеина, который определяет генетические отличия клеток одного организма от другого (за исключением клеток у монозиготных близнецов).

Молекулу гистосовместимости I класса содержат все клетки особи. Данная молекула состоит из:

1)  интегрального трансмембранного белка, часть которого находится в цитоплазме, другая - пронизывает плазмолемму и последняя - наиболее длинная часть молекулы находится в гликокаликсе;

2)  периферического мембранного белка с малой молекулярной массой;

3)  короткой молекулы белка, которая нековалентно связывается с петлями внеклеточной части интегрального трансмембранного белка. Именно последняя часть молекулы (обычно это пептид из 9 аминокислот) является фрагментом нормального белка клетки данной особи (рис. 4.5).

Рис. 4.5. Строение внеклеточного домена молекулы гистосовместимости I класса: два сегмента альфа- петель формируют желобок (1), в котором располагается нековалентно связанная с молекулами альфа- петель короткая цепь пептида - эпитоп (2) животной клетки

Он и распознается как «свой» клетками иммунной системы человека. В случае мутации на месте белка гистосовместимости появляется белок с иной структурой молекулы (например, кодируемый вирусом), и в ответ на это возникает иммунная реакция со стороны организма, направленная на уничтожение данной клетки. Так сохраняется генетическая индивидуальность клеток и, следовательно, организма.

Транспорт ионов и макромолекулярных соединений через плазмолемму происходит разными путями. Растворенные в жидкой среде вещества проникают через клеточную мембрану либо сами - без переносчиков (или носителей), либо с помощью переносчиков, или носителей (рис. 4.6).

Рис. 4.6. Схема трансмембранного переноса веществ через плазмолемму: стрелки (1-6) указывают пути и направления движения веществ. Пояснения в тексте

Транспорт без носителей называется пассивным (непосредственным транспортом) и осуществляется через каналы мембран, то есть в тех белоксодержащих участках, которые проницаемы для малых молекул (воды, мочевины, ионов) и действуют подобно молекулярным ситам, а также через липидную фазу мембраны (см. рис. 4.6, стрелки 1 и 2). В последнем случае липидная фаза служит растворителем для ряда веществ (простые и сложные эфиры, жирные кислоты и др.). Перенос веществ без носителей всегда протекает в направлении градиента концентрации (из области с высокой концентрацией в область с низкой концентрацией вещества), и его скорость зависит от величины данного градиента. Однако большинство веществ проникают через плазмолемму с помощью транспортных систем, или переносчиков (носителей). Это специфические мембранные белки группы интегральных или функциональные комплексы липопротеидов, которые связываются и трансмембранно переносят молекулы веществ. Простейшим примером транспорта с помощью носителя является облегченная (опосредованная) диффузия (см. рис. 4.6, стрелка 3).

В этом процессе носитель облегчает перенос какого-либо вещества через мембрану в направлении градиента концентраций без затраты энергии. Когда один интегральный белок осуществляет перенос какого-либо вещества в одном направлении и одновременно - другого вещества в противоположном направлении без затраты энергии, этот процесс называется обменной диффузией.

Для осуществления процесса активного транспорта - против градиента концентрации (из области с низкой концентрацией в область с высокой концентрацией) требуется не только носитель, но и источник энергии, которым обычно является аденозинтри-фосфат (АТФ). Активный транспорт может служить для переноса одного вещества в одном направлении (см. рис. 4.6, стрелка 5), либо для переноса двух веществ в противоположных (или в том же самом) направлениях. В последнем случае перенос веществ называется сопряженным активным транспортом (см. рис. 4.6, стрелки 6а и 6б).

В отличие от транспорта низкомолекулярных соединений, макромолекулярные соединения транспортируются с помощью процессов эндоцитоза (в клетку) и экзоцитоза (из клетки).

Эндоцитоз - это транспорт макромолекул через плазмолемму (рис. 4.7).

Соответственно агрегатному состоянию поглощаемого вещества выделяют пиноцитоз (захват и транспорт клеткой жидкости или растворенных в жидкости соединений) и фагоцитоз (захват и транспорт твердых частиц). Эндоцитоз бывает неспецифический и специфический.

Рис. 4.7. Фрагмент цитоплазмы мезотелиоцита: 1 - эндоцитозные пузырьки; 2 - клеточный центр; 3 - комплекс Гольджи; электронная микрофотография (увеличение 10 000) (по В.Ф. Ивановой)

Рис. 4.8. Схема эндоцитоза. Последовательные этапы - адгезии поглощаемых частиц, инвагинации плазмолеммы, формирования пузырька и отделения его от плазмолеммы; фузогенные белки (стрелки)

Неспецифический эндоцитоз осуществляется без участия рецепторных белков плазмолеммы (рис. 4.8). Первым этапом неспецифического эндоцито-за в случае транспорта твердых частиц является адгезия (прилипание) частиц к внешней поверхности плазмолеммы (важную роль в этом процессе играет гликокаликс).

Второй этап - погружение частиц в клетку путем инвагинации плазмолем-мы. Адгезия и погружение происходят в тех участках плазмолеммы, которые свободны от холестерина, то есть наименее жесткие, и к которым со стороны цитоплазмы прилежит слой белка клатрина (см. ниже). После отшнуровки участка плазмолеммы с твердыми частицами образуется внутриклеточный пузырек - эндосома. Перемещение эндосомы в гиалоплазме осуществляется с помощью элементов цитоскелета. Дальнейшая судьба эндосом может быть различна. Наиболее часто эндосомы подвергаются процессу внутриклеточного переваривания: к эндосоме подходят и сливаются с ней первичные лизосомы - формируется фаголизосома, в которой под действием гидролитических ферментов лизосом происходит химическое расщепление макромолекул до мономерных соединений. По мере расщепления (переваривания) макромолекул от мембраны фаголизосомы отшнуровываются фрагменты, которые встраиваются в плазмолемму и восполняют ее дефицит, ранее образовавшийся при отшнуровке эндосомы.

Процесс пиноцитоза подразделяется на микро- и макропиноцитоз. При микропиноцитозе начальным этапом является образование инвагинации плазмолеммы, в которой находится часть жидкой среды. Образующиеся затем по аналогии с эндосомами пиносомы представляют собой небольшие пузырьки (везикулы), которые по мере продвижения по цитоплазме могут сливаться в более крупные -  мультипиноцитозные образования. Погружение капли жидкости при микропиноцитозе происходит не в случайных участках плазмолеммы, а в тех областях, которые имеют со стороны гиалоплазмы тонкий слой особого белка - клатрина. В этих участках, как правило, отсутствует холестерин, что делает мембрану податливой к инвагинации. Когда от мембраны отшнуровывается пиносома (пиноцитозный пузырек, или везикула), по периферии она имеет слой клатрина, в связи с чем пузырек именуют окаймленным.

Макропиноцитоз отличается от микропиноцитоза тем, что с помощью довольно длинных выростов плазмолеммы клетка активно захватывает фрагменты жидкой среды. Макропиноцитоз в связи с этим именуется еще рофео-цитозом. После смыкания конца выроста с соседним участком плазмолеммы образуется крупная пиноцитозная вакуоль. Таким образом, при макропино-цитозе процесс поглощения клеткой жидкости происходит более интенсивно.

Специфический, или рецепторно-опосредованный эндоцитоз отличается от неспецифического тем, что клетка избирательно поглощает те вещества (лиганды), к которым имеет рецепторы в составе плазмолеммы. Обязательным при специфическом эндоцитозе является возвращение рецепторсодержащего фрагмента мембраны эндосомы в состав плазмолеммы после завершения внутриклеточного транспорта вещества.

Экзоцитоз - транспортный процесс, имеющий противоположное эндоци-тозу направление (рис. 4.9).

Путем экзоцитоза из клетки удаляются некоторые продукты метаболизма, непереваренные и вредные для нее вещества, а из железистых клеток - продукты их секреции. Экзоцитозные пузырьки, содержащие перечисленные соединения, приближаются к внутренней поверхности плазмолеммы и сливаются с ней, формируя сообщение с внешней средой. Полагают, что в процессе слияния мембран важная роль принадлежит особым, так называемым фузогенным, плазмолеммальным белкам (от лат. fusio - слияние), которые концентрируются в участках контактов экзоцитозных пузырьков с плазмолеммой.

Рис. 4.9. Схема экзоцитоза. Последовательные этапы - приближение пузырька к плазмолемме, слияние мембраны пузырька с плазмолеммой, высвобождение содержимого пузырька во внешнюю среду; фузогенные белки (стрелки)

Важнейшее свойство клетки и ее плазмолеммы - формирование межклеточных соединений (контактов). В природе существует большое разнообразие межклеточных соединений, многие из которых являются высокодинамичными структурами. Наиболее распространены: простое межклеточное соединение, замыкающее соединение (плотный контакт), десмосома и щелевое соединение, или нексус (рис. 4.10).

Рис. 4.10. Схема строения межклеточных соединений (контактов): а - простое межклеточное соединение, или простой контакт (стрелки - движение веществ по межклеточному пространству); б - замыкающее межклеточное соединение, или плотный контакт (стрелки - зоны сближения внешних слоев плазмолеммы); в - десмосома (1 - плазматические мембраны; 2 - связывающие трансмембранные белки - кадгерины; 3 - внутриклеточные белки сцепления; 4 - промежуточные филаменты цитоскелета; 5 - участки сцепления связывающих белков с помощью катионов кальция); г - щелевой контакт (1 - плазматические мембраны; 2 - коннексоны; 3 - каналы коннексонов)

Простое межклеточное соединение (адгезионный контакт) (рис. 4.10, а) образуется за счет элементов гликокаликса - трансмембранными гликопротеинами (кадгеринами) взаимодействующих мембран. Слои гликокаликса удерживают мембраны клеток на расстоянии около 10-20 нм, оставляя свободной межклеточную щель для транспорта ионов и низкомолекулярных соединений. Обращенные в сторону межклеточной щели молекулы кадгеринов связываются катионами кальция.

Простые контакты не обеспечивают высокой прочности межклеточных взаимодействий. Иногда плазмолеммы контактирующих клеток в области простого контакта образуют интердигитации (взаимные пальцевидные внедрения участков цитоплазмы), которые придают контакту большую прочность (рис. 4.11).

Рис. 4.11. Ультраструктура межклеточного соединения: контакт соседних клеток по типу интердигитации (стрелка); электронная микрофотография (увеличение 30 000)

Замыкающее межклеточное соединение (плотный контакт) характерно для клеток однослойных эпителиев (рис. 4.10, б). При его формировании внешние слои мембран в отдельных участках максимально сближаются. В точках соприкосновения мембран располагаются интегральные белки соседних клеток. В ряде случаев (в эпителии кишечного типа, например) плотные контакты «опоясывают» клетки, изолируя межклеточные щели, и делают их плохо проницаемыми для ионов и молекул. Эти контакты прочно соединяют клетки между собой.

Десмосома. В ее образовании, кроме клеточных мембран, участвуют промежуточные филаменты цитоскелета (рис. 4.10, в, 4.12).

В межклеточной щели в области десмосомы располагается электронно-плотный слой, образованный взаимодействующими молекулами интегральных гликопротеинов плазмолемм соседних клеток. Со стороны гиалоплазмы в зоне десмосомы располагается электронно-плотный слой так называемого внутриклеточного белка сцепления, в который вплетаются промежуточные филаменты цитоскелета. Десмосомы являются характерными контактами эпителиальных, эндотелиальных клеток, кардиомиоцитов и других, обеспечивая их прочное сцепление.

Щелевое соединение (нексус). В отличие от всех рассмотренных выше, щелевое соединение представляет собой коммуникационное (обменное) межклеточное соединение (рис. 4.10, г). Через щелевой контакт происходит прямой обмен химическими веществами между клетками. Плазмолеммы соседних клеток в зоне щелевого контакта сближены до 2-3 нм. Метод замораживания-скалывания демонстрирует присутствие в межклеточной щели контакта мелких частиц, имеющих внутри канальцы - это коннексоны (от англ. connection - соединение). В составе разных щелевых контактов насчитывается от нескольких единиц до нескольких тысяч коннексонов. Коннексоны насквозь пронизывают плазмолемму и в мембранах соседних клеток соединяются «стык в стык».

В результате образуются сквозные каналы, сообщающие между собой внутренние среды контактирующих клеток. Коннексоны могут временно закрываться, ограничивая активность обменных процессов между клетками.

Таким образом, плазмолемма играет роль прочного механического и биологического покрова, изолируя внутреннее содержимое клетки от внешней среды. Эту функцию совместно с плазмолеммой выполняют гликокаликс и кортикальный слой гиалоплазмы. Кроме того, плазмолемма обеспечивает процессы переноса веществ из клетки во внеклеточную среду и наоборот - из внеклеточной среды внутрь клетки, а также является носителем информации о генетической принадлежности особи.

Рис. 4.12. Ультраструктура десмосомы (стрелка); электронная микрофотография (увеличение 25 000)

4.1.2. Внутренняя метаболическая среда (цитоплазма) и ее компартменты

Внутренняя среда клетки - цитоплазма - сложно организованная система, включающая ядро, мембранные и немембранные органеллы, включения, которые находятся во взвешенном состоянии в гиалоплазме (цитозоле). Последняя представляет собой гель с изменяющейся в зависимости от функционального состояния клетки степенью вязкости.

В состав гиалоплазмы входят структурные и ферментные белки клетки, различные метаболиты, ионы. Здесь присутствуют ферменты, участвующие в синтезе аминокислот, нуклеотидов, жирных кислот, биосинтезе сахаров. В гиа-лоплазме происходят процессы гликолиза и синтез части АТФ, модификация ферментов (например, фосфорилирование), приводящая к их активации либо инактивации. В гиалоплазме начинается ряд биосинтетических процессов, которые в дальнейшем продолжаются в той или иной внутриклеточной системе.

В электронном микроскопе гиалоплазма выглядит гомогенной и характеризуется низкой электронной плотностью. Мегавольтная электронная микроскопия обнаруживает в ней микротрабекулярную сеть, состоящую из тончайших фибрилл, пересекающих гиалоплазму в различных направлениях. В ячейках этой сети располагаются органеллы, а в ее «узлах» фиксированы полисомы. Микротрабекулярная сеть гиалоплазмы образует связи с микротрубочками и микрофиламентами цитоскелета и совместно с ними участвует в перемещении и функционировании внутриклеточных структур.

Органеллы - это обязательно присутствующие в клетке ультрамикроскопические структуры, представляющие собой отграниченные от окружающей гиалоплазмы биологической мембраной отсеки, или компартменты (мембранные органеллы), и расположенные в гиалоплазме рибонуклеопротеиды, биополимеры и их комплексы (немембранные органеллы).

С точки зрения цитофизиологии целесообразно рассмотреть строение и функции внутриклеточных структур в связи с их участием в метаболических процессах, таких как хранение и передача поколениям генетической информации, синтез и транспорт веществ, энергообеспечение метаболических процессов и др.

Ядро - важнейший компонент, с деятельностью которого связаны хранение генетической информации, размножение клеток и передача генетического материала поколениям, участие в синтезе белков.

В неделящихся клетках (интерфазе клеточного цикла) ядро хранит закодированную в ДНК хромосом информацию о белковом синтезе и обеспечивает синтез тех белковых молекул, которые необходимы клетке в процессе ее роста, дифференцировки и физиологической регенерации; в этот период в ядре синтезируются рибосомальная, информационная и трансферная РНК, участвующие в биосинтезе белка, формируются субъединицы рибосом. При подготовке клетки к делению ядро удваивает генетическую информацию о белковом синтезе, создавая ее точную копию для передачи дочерним клеткам.

Различным функциональным состояниям ядра соответствуют особенности его светооптического строения и ультраструктуры. В интерфазе в составе ядра обнаруживаются оболочка (нуклеолемма), хроматин, нуклеоплазма, ядрышко (рис. 4.13).

Рис. 4.13. Ультраструктуры клеточного ядра: 1 - ядрышко; 2 - гетерохроматин; 3 - ядерная оболочка; 4 - ядерные поры; электронная микрофотография (увеличение 20000)

Оболочка ядра в световом микроскопе как отдельная структура не видна - о ее присутствии свидетельствуют четкие контуры ядра. При электронной микроскопии оболочка ядра представляет собой часть внутриклеточной мембранной системы (совместно с гранулярной и агранулярной эндоплазматической сетью). Она состоит из внутренней и наружной ядерных мембран, между которыми находится щелевидное пространство, именуемое перинуклеарным, ширина которого варьирует в зависимости от функциональной активности клетки.

Наружная ядерная мембрана окружена со стороны гиалоплазмы сетью промежуточных виментиновых филаментов и имеет на своей поверхности свободные рибосомы, прикрепленные к ней большими субъединицами. Внутренняя ядерная мембрана гладкая, не содержит рибосом, образует связи с фиброзной ядерний пластинкой (лaминoй) и участвует в фиксации интерфазных хромосом. В совокупности ядерные мембраны выполняют две важные функции по отношению к ядру - формообразовательную и рецепторно-барьерно-транспортную. В ядрах клеток (за исключением зрелых сперматозоидов) перинуклеарное пространство прерывается множеством пор (рис. 4.14).

Они представляют собой сквозные туннели, сообщающие содержимое ядра и гиалоплазмы. Стенка каждой из ядерных пор образована слившимися наружной и внутренней мембранами оболочки ядра. В области пор отсутствует гетерохроматин. Диаметр ядерных пор около 90 нм, а численность варьирует в зависимости от активности биосинтетических процессов в клетке. Каждый поровый туннель заполнен так называемым комплексом ядерной поры, состоящим из трех компонентов: поровых колец, центральной гранулы и соединяющих их белковых фибрилл. Все компоненты порового комплекса - белковые производные.

Рис. 4.14. Схема строения комплекса ядерной поры: 1 - наружная ядерная мембрана; 2 - внутренняя ядерная мембрана; 3 - комплекс ядерной поры (в овале)

Поровые кольца - прерывистые белковые диафрагмы, состоящие из восьми субъединиц (периферических гранул). В составе порового комплекса присутствуют два поровых кольца - наружное (или цитоплазматическое) кольцо поры, берущее начало от наружной ядерной мембраны, и внутреннее кольцо поры, связанное с внутренней ядерной мембраной (см. рис. 4.14). От последнего вглубь ядра отходят филаменты, образуя структуру, подобную корзинке. Ядерные поры участвуют в избирательном транспорте веществ между ядром и гиалоплазмой: все ядерные белки поступают в ядро из гиалоплазмы, а все формы РНК транспортируются в гиалоплазму из ядра. В этом процессе комплекс поры выступает как молекулярный механизм, исполняющий роль не только переносчика, но и сортировщика молекул, подлежащих транспорту. Через поры в ядро свободно поступают ионы, сахара, нуклеотиды, АТФ, некоторые гормоны. Белки, транспортируемые в ядро, имеют определенные последовательности аминокислот - последовательности ядерной локализации. Рецепторы ядерных пор узнают эти молекулы и пропускают их в ядро.

К внутренней мембране оболочки ядра на всем протяжении, за исключением ядерных пор, прилежит тонкий пласт белковых филаментов - фиброзная ядерная пластинка (ядерная ламина). Благодаря последней ядро не утрачивает своей формы даже после удаления оболочки ядра. От ядерной ламины вглубь ядра отходит сеть белковых филаментов, которая служит основой для компак-тизации хроматина. В области ядрышка формируется остов концентрически ориентированных фибриллярных белков (рис. 4.15).

Хроматин (греч. chroma - краска) - это вещество, в состав которого входят ДНК и белки. Различают гетерохроматин, представляющий собой спирализованные участки хромосом, недоступные для процесса транскрипции и ярко окрашивающиеся основными красителями, и эухроматин - деспирализованные сегменты хромосом, открытые для транскрипции и практически не воспринимающие основные красители. По соотношению эу- и гетерохроматина в ядре можно судить об активности процесса транскрипции и биосинтетических процессов в клетке. При повышении синтетической функции в ядре преобладает эухроматин, при понижении - гетерохроматин. В высокодифференцированных клетках хроматин конденсирован и имеет вид широкой периферической зоны и массивных хромоцентров (см. рис. 4.13). Во всех клетках, независимо от уровня их дифференцировки, в период интерфазы постоянно существуют конденсированные участки хроматина - конститутивный хроматин, - соответствующие центро-и теломерным участкам хромосом. В клетках женских особей к категории конститутивного хроматина относятся тельца Барра (половой хроматин) диаметром около 0,5 мкм, являющиеся спирализованной Х-хромосомой. В гранулоцитах крови тельца Барра представлены небольшими добавочными фрагментами ядер («барабанные палочки»). Тельца Барра обнаруживаются в 70-75% интерфазных ядер соматических клеток женского организма. Их определение имеет большое практическое значение в судебно-медицинской практике.

Рис. 4.15. Схема строения ядерного матрикса: 1 - оболочка ядра (внутренняя поверхность); 2 - ядерные поры; 3 - элементы ядерной ламины; 4 - связывающая ламина; 5 - собственно ядерный матрикс (интерхроматиновая ламина); 6 - фиброзный остов ядрышка (ядрышковая ламина)

В митозе хроматин принимает наивысшую степень конденсации (спирализации), при этом хромосомы становятся видимыми в световой микроскоп (рис. 4.16).

Рис. 4.16. Метафазные хромосомы (Хр) в ядре делящейся клетки; электронная микрофотография (увеличение 36 000)

Как указывалось выше, хроматин, являясь эквивалентом хромосом, состоит из ДНК и белковых молекул (гистоновых и негистоновых). Если роль ДНК заключается в кодировании белкового синтеза, то белковые молекулы в составе хроматина являются вспомогательными. С помощью гистоновых белков протяженные спирали молекул ДНК компактно упаковываются в объеме ядра последовательно в нуклеосомные нити, хроматиновые фибриллы и петельные домены. Помимо этого, гистоновые белки совместно с негистоновыми молекулами способны регулировать активность генов и генных участков ДНК и прямо участвовать в реализации генетического кода клетки.

Ядрышко в световом микроскопе имеет вид мелкой интенсивно базофильной частицы. Количество и размеры ядрышек в клетках варьируют в зависимости от функциональной активности. В клетках, синтезирующих большое количество белка, объем ядрышка может занимать до 25% объема ядра. Ядрышко образовано специализированными участками хромосом (13, 14, 15, 21 и 22), называемыми ядрышковыми организаторами.

Функции ядрышка состоят в синтезе рибосомальной РНК и образовании так называемых предшественников большой и малой субъединиц рибосом. Дальнейшее созревание предшественников в субъединицы рибосом происходит в гиалоплазме, куда их предшественники попадают из ядра через поровые комплексы.

На электронных микрофотографиях в составе ядрышка различают три зоны: слабоокрашенный компонент, содержащий ДНК из области ядрышкового организатора хромосом; центральный фибриллярный компонент, состоящий из множества тонких (около 5 нм) рибонуклеопротеиновых фибрилл и представляющий собой РНК-транскрипты; периферический гранулярный компонент, в состав которого входят предшественницы зрелых субъединиц рибосом (рис. 4.17). Варьирование размеров ядрышка связано преимущественно с изменением доли гранулярного компонента.

Рис. 4.17. Ультраструктура ядрышка: 1 - гранулярный компонент; 2 - фибриллярный компонент; 3 - околоядрышковый хроматин; электронная микрофотография (увеличение 25 000)

Нуклеоплазма - жидкое внутреннее содержимое ядра, состоит из воды, ионов, гликопротеинов, содержит РНК и ферментные белки.

Органеллы синтеза и транспорта биополимеров. К органеллам данной группы относятся эндоплазматическая сеть, рибосомы, комплекс Гольджи, лизосомы, пероксисомы. Они осуществляют синтез органических соединений, их транспорт в процессе химической доработки из одного участка клетки в другой, накопление, перемещение, упаковку и экзоцитоз готовых продуктов синтеза. Эндоплазматическая сеть и рибосомы. Эндоплазматическая сеть представлена канальцами и цистернами, которые анастомозируют и формируют в гиалоплазме трехмерную сеть. Канальцы эндоплазматической сети непосредственно связаны с перинуклеарным пространством клетки.

В состав сети входят гранулярные (содержащие на внешних поверхностях мембран рибосомы) и агранулярные (без рибосом) участки.

Рибосомы представляют собой мельчайших размеров органеллы, которые синтезируют все разнообразие клеточных белков. На светооптическом уровне рибосомы неразличимы, об их количестве в клетке можно судить по интенсивности окраски цитоплазмы общегистологическими (базофилия) или специальными гистохимическими реактивами и флюорохромами, связывающимися с РНК. На ультрамикроскопическом уровне рибосомы выглядят как осмиофильные черные точки (диаметром около 20-25 нм), а их рабочие комплексы - полисомы - как группы, или розетки, осмиофильных точек (рис. 4.18).

Рис. 4.18. Ультраструктура гранулярной эндоплазматической сети: а - канальцы гранулярной эндоплазматической сети, содержащие на внешних поверхностях мембран рибосомы (стрелки); б - развитая эндоплазматическая сеть (эргастоплазма, стрелки); электронная микрофотография (увеличение: а - 25 000; б - 15 000)

Компоненты рибосом создаются в разных участках клетки: рибосомальные РНК синтезируются в ядрышке; рибосомальные белки - в цитоплазме. Последние поступают в ядро, где комплексируются с молекулами РНК и объединяются в рибосомальные субъединицы. Затем субъединицы РНК транспортируются из ядра через поры и находятся в цитоплазме либо в диссоциированном (неактивном), либо ассоциированном друг с другом (активном) состоянии.

Работающие органеллы состоят из двух ассоциированных (малой и большой) субъединиц, которые удерживаются в обратимо связанном состоянии с помощью катионов магния. Большую субъединицу рибосом образуют разные молекулы РНК, имеющие сложную вторичную и третичную структуру, в комплексе с рибосомальными белками. Большая субъединица значительно крупнее малой и имеет форму полушара. Малая субъединица имеет вид маленькой шапочки. При ассоциации субъединиц в рибосому происходит закономерное взаимодействие их поверхностей. Между субъединицами работающей рибосомы имеет место строгое «разделение труда» - малая субъединица ответственна за связывание информационной РНК, большая - формирует полипептидную цепь. В клетке нефункционирующие рибосомы находятся в диссоциированном состоянии, в связи с чем получают возможность постоянно обмениваться субъединицами и обновляться. В рабочем режиме рибосомы образуют стабильный комплекс - полисому (от 3 до 20-30 рибосом в полисоме), в котором они связаны нитью информационной РНК. О степени развития в клетке гранулярной эндоплазматической сети можно судить по базофилии цитоплазмы, обусловленной присутствием большого количества рибосом; агранулярные участки эндоплазматической сети на светооптическом уровне не обнаруживаются. В большинстве клеток преобладает гранулярная сеть, и оба вида сети имеют диффузную организацию - их канальцы располагаются в гиалоплазме свободно, без какой-либо упорядоченности. Синтез белка в гранулярной эндоплазматической сети, как полагают, начинается на свободных полисомах гиалоплазмы. Здесь образуется сигнальная последовательность аминокислот будущей молекулы белка, с которой связывается сигналузнающая частица - рибонуклеопротеидный комплекс, находящийся в гиалоплазме. После образования этой связи белковый синтез временно блокируется. Далее образовавшийся комплекс сигналузнающая частица + полисома связывается со специфическим рецептором мембраны гранулярной эндоплазматической сети, сигналузнающая частица отделяется от полисомы, и та, прикрепившись к канальцу сети, возобновляет белковый синтез. В процессе транспортировки синтезируемой белковой молекулы в полость канальца участвуют трансмембранные белки, фиксирующие полисомы. По мере синтеза белковая молекула погружается в просвет канальца, где под действием специальной пептидазы от нее отделяется сигнальная последовательность, завершаются синтез и формирование третичной структуры белка. Здесь же возникают и некоторые посттрансляционные изменения белков, которые заключаются в гликозилировании, сульфатировании, фосфорилировании. Присутствующие в гранулярной эндоплазматической сети специальные белки (шапероны и кальнексин) контролируют качество вновь синтезированных белковых молекул: шапероны совместно с протеазами предотвращают случайные свертывания и агрегацию промежуточных продуктов белкового синтеза; кальнексин препятствует высвобождению из канальцев сети неправильно сформированных молекул белка. Внутриклеточная транспортировка синтезированного в гранулярной эндоплазматической сети белка осуществляется по его канальцам и с помощью отделяющихся от канальцев транспортных везикул (наружная поверхность везикул при этом «теряет» полисомы).

Ширина и количество канальцев и цистерн эндоплазматической сети в клетках варьируют в зависимости от их функционального состояния - при повышении функциональных нагрузок на клетку канальцы и цистерны сети становятся множественными и значительно расширяются.

Значение гранулярной эндоплазматической сети состоит в синтезе мембранных белков и белков, предназначенных «на экспорт» и необходимых другим клеткам либо используемых во внеклеточных физиологических реакциях. Этот вид сети присутствует во всех клетках организма человека (кроме зрелых сперматозоидов), однако наиболее развит в тех клетках, которые специализированы на синтезе больших количеств белковых молекул. Таких видов клеток в организме человека сравнительно немного. Примером являются плазмо-циты, синтезирующие антитела (иммуноглобулины); клетки поджелудочной железы, вырабатывающие комплекс белковых пищеварительных ферментов (панкреатический сок); гепатоциты, синтезирующие белки плазмы крови, свертывающей и противосвертывающей систем крови, а также некоторые другие клетки. В этих клетках канальцы сети располагаются упорядоченно (в некоторых случаях - строго параллельно) в виде так называемой эргастоплазмы.

В малодифференцированных и неспециализированных клетках гранулярная эндоплазматическая сеть, как правило, слабо развита, в клетках преобладают свободные поли- и рибосомы, обеспечивающие синтез белков, необходимых клетке для роста и дифференцировки.

Агранулярная эндоплазматическая сеть, будучи морфологическим продолжением гранулярной сети, отличается от последней отсутствием рибосом и особым спектром ферментов (см. рис. 4.1). Агранулярная сеть имеет вид коротких канальцев и пузырьков (везикул), которые диффузно располагаются по всей гиалоплазме. В большинстве клеток элементы агранулярной сети, как правило, немногочисленны. В клетках, вырабатывающих стероидные гормоны (клетки надпочечников, половых желез), агранулярная сеть хорошо развита, и ее многочисленные пузырьки и короткие канальцы занимают большие объемы либо образуют муфты вокруг липидных включений - предшественников стероидных гормонов. В мембранах агранулярной эндоплазматической сети находятся ферменты стероидогенеза. Помимо стероидогенеза, она участвует в синтезе и метаболизме липидов, полисахаров, триглицеридов, в процессе детоксикации продуктов метаболизма лекарственных препаратов и эндогенных клеточных ядов. В канальцах агранулярной сети депонируются большие запасы катионов кальция.

Комплекс Гольджи. Представлен сплющенными цистернами (или мешками), собранными в стопку. Каждая цистерна немного изогнута и имеет выпуклую и вогнутую поверхности. Средний диаметр цистерн составляет около 1 мкм. В центре цистерны ее мембраны сближены, а на периферии часто формируют расширения, или ампулы, от которых отшнуровываются пузырьки. Пакеты плоских цистерн количеством в среднем около 5-10 формируют диктиосому. Кроме цистерн в комплексе Гольджи присутствуют транспортные и секреторные пузырьки (рис. 4.19).

Рис. 4.19. Ультраструктура комплекса Гольджи: 1 - диктиосома; 2 - транспортные и секреторные пузырьки; электронная микрофотография (увеличение 30 000)

В диктиосоме в соответствии с направлением кривизны изогнутых поверхностей цистерн различают две поверхности. Выпуклая поверхность называется незрелой, или цис-поверхностью. Она обращена к ядру или к канальцам гранулярной эндоплазматической сети и связана с последней пузырьками, отшнуровывающимися от гранулярной сети и приносящими молекулы белка в диктиосому на дозревание.

Противоположная транс-поверхность диктиосомы вогнута. Она обращена к плазмолемме и именуется зрелой потому, что от ее мембран отшнуровыва-ются секреторные пузырьки, содержащие готовые к выведению из клетки продукты секреции (рис. 4.20).

Комплекс Гольджи участвует в накоплении продуктов, синтезированных в эндоплазматической сети, в их химической перестройке и созревании. В цистернах комплекса Гольджи происходит синтез полисахаридов, их комплекcиpoвaниe с белковыми молекулами. Одна из главных функций комплекса Гольджи - формирование готовых секреторных продуктов, которые выводятся за пределы клетки путем экзоцитоза. Важнейшими для клетки функциями комплекса Гольджи также являются обновление клеточных мембран, в том числе и участков плазмолеммы, а также замещение дефектов плазмолеммы в процессе секреторной деятельности клетки. Комплекс Гольджи считается источником образования первичных лизосом, хотя их ферменты синтезируются и в гранулярной сети. В цитофизиологии комплекса существует много неразрешенных вопросов, среди которых основным является трактовка механизма транспорта синтезируемых соединений по диктиосоме. Гипотеза перемещения цистерн предполагает, что со стороны цис-поверхности происходит непрерывное новообразование цистерн. Предсуществующие цистерны, которые вступили во взаимодействие с транспортными везикулами и в которых начались процессы биосинтеза, перемещаются из этой области к транс-поверхности, где по завершении синтеза распадаются на секреторные пузырьки (везикулы) и вакуоли. Эта модель не предусматривает взаимосвязи цистерн и предполагает их высокую «изнашиваемость» и активное новообразование в процессе функционирования комплекса Гольджи.

Рис. 4.20. Схема метаболического пути веществ в структурах комплекса Гольджи: АЭС - агранулярная эндоплазматическая сеть; ГЭС - гранулярная эндоплазматическая сеть; транс-, мед- и цис-G - цистерны (и, соответственно, поверхности) диктиосомы; 1 - плазмолемма; 2 - протеолиз, сортировка белков и липидов, присоединение углеводных остатков; 3 - вновь образованные специфические липиды мембран

Согласно гипотезе везикулярного транспорта перемещаются не цистерны, а везикулярные элементы диктиосомы, которые отделяются и сливаются с мембранами последующих цистерн диктиосомы в направлении от цис-к транс-поверхности.

Лизосомы представляют собой внутриклеточно формирующиеся секреторные пузырьки, заполненные гидролитическими ферментами, необходимыми для процессов фаго- и аутофагоцитоза. На светооптическом уровне лизосомы можно идентифицировать и судить о степени их развития в клетке по активности гистохимической реакции на кислую фосфатазу - ключевой ли-зосомальный фермент (энзим).

При электронной микроскопии лизосомы определяются как пузырьки, отграниченные от гиалоплазмы мембраной (рис. 4.21). Условно выделяют четыре основных вида лизосом: первичные и вторичные лизосомы, аутофагосомы и остаточные тельца.

Рис. 4.21. Ультраструктура лизосом: Пл - первичная лизосома; стрелки - аутофагосомы (поглощение липидных включений); электронная микрофотография (увеличение 20 000)

Первичные лизосомы - это мелкие мембранные пузырьки (средний диаметр их составляет около 100 нм), заполненные гомогенным мелкодисперсным содержимым, представляющим собой набор гидролитических ферментов. В лизосомах идентифицированы около 40 ферментов (протеазы, нуклеазы, гликозидазы, фосфорилазы, сульфатазы), оптимальный режим действия которых рассчитан на кислую среду (рН 5,0). Лизосомальные мембраны содержат специальные белки-носители для транспорта из лизосомы в гиалоплазму продуктов гидролитического расщепления - аминокислот, сахаров и нуклеотидов. Мембрана лизосом устойчива по отношению к гидролитическим ферментам.

Вторичные лизосомы образуются при слиянии первичных лизосом с эндо-цитозными либо с пиноцитозными вакуолями. Иными словами, вторичные лизосомы - это внутриклеточные пищеварительные вакуоли, ферменты которых поставляются первичными лизосомами, а материал для переваривания - эндоцитозной (пиноцитозной) вакуолью. Строение вторичных лизосом весьма разнообразно и изменяется в процессе гидролитического расщепления содержимого. Ферменты лизосом расщепляют попавшие в клетку биологические вещества, в результате чего образуются мономеры, которые транспортируются через мембрану лизосомы в гиалоплазму, где включаются в разнообразные метаболические реакции или выделяются из клетки.

Если взаимодействию с первичными лизосомами и гидролитическому расщеплению их ферментами подвергаются собственные структуры клетки (стареющие органеллы, включения и пр.), формируется аутофагосома. Аутофагоцитоз является естественным процессом в жизнедеятельности клетки и играет большую роль в обновлении ее структур при внутриклеточной регенерации.

Остаточные тельца - это одна из финальных стадий существования фаго-и аутолизосом, они обнаруживаются при незавершенном фагоили аутофа-гоцитозе и впоследствии выделяются из клетки путем экзоцитоза. Они имеют уплотненное содержимое, часто наблюдается вторичная структуризация непереваренных соединений (например, липиды образуют сложные слоистые образования).

Описано много генетических заболеваний, связанных с лизосомными гидролазами. Часть из них известны как болезни накопления мукополисахаридов (гликозаминогликанов, см. главу 7) и обусловлена недостаточностью лизосом-ных ферментов, участвующих в разрушении дерматансульфата, гепарансульфа-та или обоих этих веществ. Накапливающиеся в клетках и тканях не полностью разрушенные мукополисахариды вызывают прогрессирующее заболевание организма и обычно очень рано (до 10-летнего возраста) приводят к смерти человека. Известна недостаточность десяти специфических лизосомных ферментов - например, так называемая I-клеточная болезнь (муколипидоз II и III), связанная с генетическим дефектом посттрансляционных изменений кислых гидролаз. Болезнь сопровождается увеличением концентрации гидролаз в крови. Муколипидоз поражает преимущественно соединительные ткани, в составе межклеточного вещества (матрикса) которых присутствует большое количество мукополисахаридов.

Пероксисомы (или микротельца) - это везикулы диаметром 0,3-1,5 мкм, имеющие одинарную мембрану и являющиеся совместно с митохондриями основным местом использования кислорода в клетке. Впервые пероксисомы были выделены из клеток печени и почек, и своим названием обязаны высокому содержанию оксидаз, участвующих в окислительном дезаминировании аминокислот с образованием вредной для клеток перекиси водорода. Фермент каталаза, присутствующий в пероксисомах в больших количествах, расщепляет образующуюся перекись водорода на кислород и воду и таким образом предотвращает разрушительное действие перекиси водорода на клетку. Более 50 ферментов пероксисом участвуют в различных метаболических процессах организма (например, реакциях синтеза плазмалогенов - важнейших представителей фосфолипидов, находящихся в высоких концентрациях в головном мозгу и сердце); процессах β-окисления - химического расщепления жирных кислот с образованием ацилкофермента-А, используемого клетками. Внутреннее содержимое пероксисомы - матрикс - представлено мелкогранулярным содержимым с нуклеоидом (сердцевиной) в центре. В нуклеоиде часто видны кристаллоподобные структуры, которые состоят из упорядоченно упакованных фибрилл и трубочек. Пероксисомы обычно локализуются вблизи мембран гранулярной эндоплазматической сети. Последние являются местом их образования, хотя часть ферментов пероксисом синтезируется в гиалоплазме. Пероксисомы, разрушающие органические соединения с образованием своеобразного клеточного яда в виде перекиси водорода, одновременно имеют собственную защиту в виде ферментов, нейтрализующих перекись водорода. Размножение пероксисом является, как правило, адаптативным ответом клеток на такие воздействия, при которых для роста и выживания последних требуются ферменты пероксисом. Процесс размножения состоит из двух фаз - образования дочерних органелл за счет почкования существующих пероксисом и роста дочерних перокси-сом за счет накопления ферментов. Различные метаболические нарушения в организме человека связаны с неспособностью клеток переносить белки в пероксисомы или ошибочным попаданием пероксисомных ферментов в другие клеточные компартменты. Стимулировать размножение перокси-сом могут лекарственные средства, относящиеся к разряду гиполипидемических.

Заболевания человека, связанные с нарушением функции пероксисом, имеют наследственный характер. Например, синдром Цельвегера обусловлен практически полной потерей пероксисомной функции и рассматривается как генерализованная пероксисомная патология вследствие нарушения процесса биосинтеза пероксисом. При этом заболевании в пероксисомах отсутствует большинство важнейших ферментов, и пациенты умирают еще в детском возрасте.

Клеточные включения. Включения - это непостоянные структуры клетки, которые появляются в ней и исчезают в процессе обмена веществ. Для выявления включений на светооптическом уровне чаще используется метод гистохимии, в основе которого лежат химические реакции, происходящие между включением и реактивом, используемым для выявления конкретного включения, с образованием характерной окраски. Белковые и слизистые включения (если в клетке их достаточно много) без труда можно наблюдать при традиционной окраске гематоксилином и эозином - белковые гранулы интенсивно окрашиваются эозином, а слизистые, плохо воспринимающие красители, выглядят как светлая пенистость цитоплазмы.

Различают трофические, секреторные, экскреторные и пигментные включения.

Группа трофических включений объединяет углеводные, липидные и белковые включения. Наиболее распространенным представителем углеводных включений является гликоген - полимер глюкозы. На светооптическом уровне наблюдать включения гликогена можно при использовании гистохимической ШИК-реакции (реакция Шиффа с перйодной кислотой) (см. главу 3). В электронном микроскопе гликоген выявляется как осмиофильные гранулы, которые в клетках, где гликогена много (гепатоцитах), сливаются в крупные конгломераты - глыбки.

Жировыми включениями наиболее богаты клетки жировой ткани - адипоциты, резервирующие запасы жира для нужд всего организма, а также стероидпpoдyциpyющиe эндокринные клетки, использующие липид холестерин для синтеза своих гормонов.

На ультрамикроскопическом уровне липидные включения имеют правильную округлую форму и в зависимости от химического состава характеризуются высокой, средней или низкой электронной плотностью (рис. 4.22).

Рис. 4.22. Липидные включения в клетках печени: 1 - ядро; 2 - капли жира; 3 - цитоплазма (схема)

Белковые включения, например вителлин в яйцеклетках, накапливаются в цитоплазме в виде гранул.

Секреторные включения представляют собой разнообразную группу. Секреторные включения синтезируются в клетках и выделяются (секретируются) в просветы протоков (клетки экзокринных желез), в межклеточную среду (гормоны, нейромедиаторы, факторы роста и др.), кровь, лимфу, межклеточные пространства (гормоны). На ультрамикроскопическом уровне секреторные включения имеют вид мембранных пузырьков, содержащих вещества разной плотности и интенсивности окраски, что зависит от их химического состава (рис. 4.23).

Рис. 4.23. Секреторные гранулы на поверхности секреторной клетки: 1 - секреторная клетка; 2 - гранулы секрета на поверхности клетки; сканирующая электронная микроскопия (увеличение 8000) (по А.С. Ростовщикову)

Экскреторные включения - это, как правило, продукты метаболизма клетки, от которых она должна освободиться. К экскреторным включениям относятся также инородные включения - случайно либо преднамеренно (при фагоцитозе бактерий, например) попавшие в клетку вещества. Такие включения клетка разрушает с помощью своей лизосомальной системы, а оставшиеся частицы выводит (экскретирует) во внеклеточную среду. В более редких случаях попавшие в клетку агенты остаются неизменными и могут не подвергнуться экскреции - такие включения более правильно именовать чужеродными (хотя чужеродными для клетки являются и включения, которые она лизирует). Пигментные включения хорошо «самовыявляются» как на светооптическом, так и на ультрамикроскопическом уровнях.

Очень характерный вид они имеют на электронных микрофотографиях - в виде осмиофильных структур разных размеров и формы. Данная группа включений характерна для пигментоцитов (рис. 4.24). Пигментоциты, присутствуя в дерме кожи, защищают организм от глубокого проникновения опасного для него ультрафиолетового излучения, в радужке, сосудистой оболочке и сетчатке глаза пигментоциты регулируют поток света на фоторецепторные нейроны глаза и предохраняют их от перераздражения светом. В процессе старения очень многие соматические клетки накапливают пигмент липофусцин, по присутствию которого можно судить о возрасте клетки. В эритроцитах и симпластах скелетных мышечных волокон присутствуют соответственно гемоглобин или миоглобин - пигменты-переносчики кислорода и углекислоты.

Рис. 4.24. Пигментные включения (стрелки) в клетке: электронная микрофотография пигментоцита радужки глаза (увеличение 6000)

Митохондрии. Это органеллы энергообеспечения метаболических процессов в клетке. Размеры их варьируют от 0,5 до 5-7 мкм, количество в клетке составляет от 50 до 1000 и более (рис. 4.25). В гиалоплазме митохондрии распределены обычно диффузно, однако в специализированных клетках сосредоточены в тех участках, где имеется наибольшая потребность в энергии. Например, в мышечных клетках и симпластах большие количества митохондрий сосредоточены вдоль рабочих элементов - сократительных фибрилл.

Рис. 4.25. Ультраструктура митохондрии (стрелки) ламеллярного (а) и тубулярного (б) видов: 1 - наружная мембрана; 2 - кристы; 3 - внутренняя камера; электронная микрофотография (увеличение 12 000-15 000)

В клетках, функции которых сопряжены с особо высокими энергозатратами, митохондрии образуют множественные контакты, объединяясь в сеть, или кластеры (кардиомиоциты и симпласты скелетной мышечной ткани). В клетке митохондрии выполняют функцию дыхания. Клеточное дыхание - это последовательность реакций, с помощью которых клетка использует энергию связей органических молекул для синтеза макроэргических соединений типа АТФ. Образующиеся внутри митохондрии молекулы АТФ переносятся наружу, обмениваясь на молекулы АДФ (аденозинтрифосфата), находящиеся вне митохондрии.

Биосинтетический потенциал митохондрий огромен: ежедневно митохондрии человека синтезируют до 50 кг АТФ, а общее, синтезируемое в течение всей жизни количество АТФ невероятно велико - около 1000 тонн. Митохондрии играют ключевую роль во многих других анаболических и катаболиче-ских реакциях, в апоптозе и патогенезе генетических и дегенеративных заболеваний, а также при старении организма. В живой клетке митохондрии могут перемещаться с помощью элементов цитоскелета.

На ультрамикроскопическом уровне оболочка митохондрии состоит из двух мембран - наружной и внутренней, различающихся по функциям и молекулярному составу (см. рис. 4.25). Наружная мембрана имеет относительно ровную поверхность, внутренняя - образует направленные в центр складки, или кристы. Между наружной и внутренней мембранами возникает неширокое (около 15 нм) пространство, которое называется наружной камерой митохондрии; внутренняя мембрана ограничивает внутреннюю камеру. Содержимое наружной и внутренней камер митохондрии различается по ряду биохимических и функциональных признаков. Наружная мембрана по химическому составу и свойствам близка к другим внутриклеточным мембранам и плазмолемме. Главной ее функцией является отграничение митохондрии от гиалоплазмы и транспорт в митохондрию субстратов для клеточного дыхания. Наружную мембрану характеризует высокая проницаемость, благодаря наличию гидрофильных белковых каналов - она содержит значительное количество белка порина, формирующего поры с диаметром, позволяющим проходить в межмембранное пространство ионам, аминокислотам, сахарам и другим молекулам. Синтезированные в цитозоле белки, предназначенные для транспорта в митохондрию, предварительно связываются с цитозольными белками шаперонами, обеспечивающими их правильное сворачивание (фолдинг) и необходимую для перемещения в митохондрию конформацию. Наружная мембрана имеет в своем составе рецепторные комплексы, распознающие и связывающие вещества, поступающие в митохондрию. Ферментный спектр наружной мембраны небогат: это ферменты метаболизма жирных кислот, фосфолипидов, липидов и др. Группа ферментов, локализованных в межмембранном пространстве митохондрии (наружной камере), осуществляет фосфорилирование нуклеотидов и сахаров нуклеотидов. По направлению внутрь митохондрии увеличивается содержание ферментов и повышается избирательность транспортных процессов. В большинстве клеток различных органов внутренняя мембрана митохондрий формирует гребни, или кристы, в виде пластин (ламеллярные кристы), что значительно увеличивает площадь поверхности внутренней мембраны (рис. 4.25, а). В последней 20-25% всех белковых молекул составляют ферменты, главным образом дыхательной цепи, окислительного фосфорилирования, цитохромы. Внутренняя мембрана проницаема лишь для малых молекул и содержит специфические переносчики для органических фосфатов, АДФ, АТФ, аминокислот, жирных кислот, ди- и трикарбоновых кислот. В некоторых клетках человека, например в эндокриноцитах надпочечников и половых желез, митохондриям принадлежит еще одна функция - участие в синтезе стероидных гормонов. В этих клетках митохондрии имеют кристы в виде трубочек, или тубул, упорядоченно расположенных в определенном направлении. Это трубчатый, или тубулярный, вид крист (рис. 4.25, б).

Матрикс митохондрии - это содержимое внутренней камеры митохондрии. Он представляет собой гелеобразную фазу, содержащую около 50% белков, ферменты цикла лимонной кислоты, катализирующие окисление жирных кислот, синтез рибосом, РНК и ДНК. Осмиофильные тельца в матриксе, описанные при электронной микроскопии, представляют собой резервы катионов кальция. Общее число ферментов митохондрий превышает 40. Помимо ферментов матрикс митохондрии содержит митохондриальную ДНК (митДНК) и митохондриальные рибосомы. Кольцевидная ДНК митохондрии представляет ее собственный геном, состоящий из 37 генов. Митохондриальная ДНК реплицируется в интерфазе, и этот процесс не синхронизирован с репликацией ДНК в ядре. Митохондриальная ДНК в 105 раз меньше ядерной, кодирует 2 рибосомные РНК, 22 тРНК и 13 белков.

В отличие от ядерной, в митохондриальной ДНК практически нет некодирующих последовательностей нуклеотидов, в связи с чем внутримитохондриальный белковый синтез, в отличие от синтеза, происходящего в гиалоплазме, протекает без сплайсинга (см. ниже). Таким образом, синтезируются лишь транспортные белки митохондриальных мембран и некоторые ферментные белки, участвующие в фосфорилировании АДФ. Все остальные белковые компоненты митохондрии кодируются ядерной ДНК, их синтез осуществляется в гиалоплазме, и в дальнейшем они транспортируются в митохондрию. Даже на ультрамикроскопическом уровне в составе матрикса митохондрии сложно наблюдать ее генетический аппарат - лишь иногда он заметен в виде области с более низкой электронной плотностью и тонкофибриллярной структуры.

В одной и той же клетке могут находиться митохондрии различных генераций и степени функциональной активности. Например, в симпласте скелетного мышечного волокна наряду с молодыми формами митохондрий, для которых характерны небольшие размеры и электронно-плотный матрикс, присутствуют активно функционирующие и стареющие формы этих органелл. Последние имеют просветленный матрикс и небольшое число крист. Жизненный цикл митохондрий в клетке достаточно короткий, поэтому этим органеллам свойственно воспроизводство путем деления и почкования (рис. 4.26).

Рис. 4.26. Включение меченого предшественника ДНК в делящиеся митохондрии малодифференцированного скелетного мышечного волокна (стрелки); электронно-микроскопическая радиография (увеличение 15 000)

Описано множество мутаций генов, кодирующих ферменты окислительного фосфорилирования в митохондриях. Недостаточность различных ферментных комплексов митохондрий является причиной миопатий, кардиомиопатий, энцефалопатий. Точечные мутации митДНК приводят к наследственной атрофии зрительных нервов Либера, миоклонической эпилепсии, миопатии с формированием «рваных» красных мышечных волокон и пр. Крупные делеции или дупликации митДНК лежат в основе развития сахарного диабета, глухоты и др.

4.1.3. Опорно-двигательная система клетки

Опорно-двигательная система и ее компоненты в качестве скелета клетки обеспечивают противодействие внешним физическим факторам и вместе с тем легко перестраиваются и изменяют форму клетки, участвуют в регуляции потоков гиалоплазмы и движении органелл.

К компонентам клетки с опорно-двигательной функцией относятся промежуточные филаменты, микрофиламенты, микротрубочки и их специализированные производные (микроворсинки, стереоцилии, реснички и жгутики). С деятельностью этих структур связано выполнение практически всех клеточных функций.

Промежуточные филаменты. Промежуточные филаменты построены из фибриллярных белковых мономеров. Их пространственная конструкция напоминает плетение каната толщиной около 8-10 нм. В клетке они локализуются в виде трехмерной сети преимущественно в околоядерной области и собраны в пучки, которые направляются к периферии клетки (рис. 4.27). Здесь они входят либо в состав десмосом и полудесмосом (в клетках эпителиальных тканей) либо направляются в отростки нервных клеток.

Рис. 4.27. Промежуточные филаменты (стрелки) в эпителиоците многослойного плоского эпителия кожи; электронная микрофотография (увеличение 49 000) (по В.И. Семкину)

Эти части цитоскелета характерны для всех видов клеток, однако особенно хорошо развиты в клетках, испытывающих механические нагрузки, например, в клетках эпидермиса, мышечных клетках, нейронах. В группу промежуточных филаментов входит несколько родственных белков, однако в разных клетках это, как правило, разные белки (табл. 4.1). В клетках мезенхимного происхождения (соединительнотканных, эндотелиальных, клетках крови) промежуточные филаменты состоят из виментина. В мышечных клетках белок промежуточных филаментов называется десмином (в поперечнополосатых мышечных волокнах десминовые филаменты входят в состав полосы Z). В нейронах промежуточные филаменты поддерживают форму отростков нервных клеток и фиксируют трансмембранные белки ионных каналов. В клетках эпидермиса промежуточные филаменты, связываясь с другими белками, формируют роговое вещество, представляющее собой мощный защитный слой кожи, непроницаемый для многих водорастворимых опасных для организма соединений. Наконец, во всех клетках в составе ядра находятся белки ядерной пластинки (ламины). В отличие от устойчивых промежуточных филаментов цитоплазмы слои филаментов ядерной пластинки легко разбираются во время митотического деления клетки.

Таблица 4.1. Виды промежуточных филаментов и их локализация в различных клетках

Вид филамента	Цитотип
Цитокератины Десмин	Эпителиальные клетки
Глиальный фибриллярный кислый протеин Протеин нейрофиламентов Ядерная ламина Виментин	Мышечные элементы Клетки астроцитарной глии Нейроны Ядра всех клеток Клетки - производные мезенхимы

Будучи достаточно устойчивой, сеть промежуточных филаментов при повреждении клетки подвергается коллапсу - спадается в клубок. В этот клубок сети вплетаются поврежденные органеллы для последующего разрушения (протеоли-за). В процессе регенерации сеть промежуточных филаментов клетки восстанавливается. Это происходит, как полагают, в направлении от зоны клеточного центра (как и при восстановлении микротрубочек). В связи с этим не случайно, что внутриклеточная топография промежуточных филаментов часто повторяет расположение микротрубочек - эти структуры располагаются практически параллельно.

Основные функции промежуточных филаментов: опорная, поддержание формы клетки, участие в формировании межклеточных соединений типа десмосом и полудесмосом, специальные функции в различных типах клеток. Определение белка промежуточных филаментов с помощью иммуноцитохимиче-ской реакции практикуется в диагностике происхождения опухоли (см. главу 3).

Микрофиламенты и их производные. Это нитевидные образования толщиной около 5 нм, состоящие из белка актина и являющиеся универсальными элементами цитоскелета. Они динамичны, легко перестраиваются, разбираются и собираются вновь в зависимости от функциональных потребностей клетки. Актин существует в мономерной (глобулярной) форме (G-актин) и в виде линейного полимера (филаментарный, F-актин). Основным структурным белком микрофиламентов является глобулярный актин (G-актин). В цитоплазме актиновые микрофиламенты располагаются поодиночке либо в виде сетки и пучков, а с внутренней стороны плазмолеммы образуют сгущение - кортикальный слой клетки, или кортекс (см. рис. 4.4). В последнем актиновые филаменты образуют сеть с помощью связывающих (линкерных) белков, одним из которых является филамин. Филаменты актинового кортекса фиксируются к плазмолемме с помощью плазмолеммальных интегральных белков - интегринов. В специализированных участках плазмолеммы и адгезионных контактов актин может становиться трансмембранным белком.

Во всех клетках актиновые филаменты взаимодействуют с модифицированной формой миозина, представленной мономерной структурой - мини-миозином. Минимиозин соединен с клеточными органеллами и облегчает их транспорт, а также перемещение везикул вдоль актиновых филаментов. При полимеризации актиновых микрофиламентов возникают локальные перемещения цитоплазмы, необходимые для движения клетки.

Специализированными производными микрофиламентов являются микроворсинки и их уплотненные комплексы - стереоцилии. Микроворсинки - это тонкие (0,1 мкм) и длинные (около 1 мкм) выросты апикальной (верхушечной) части клеток (рис. 4.28).

Внутри каждой микроворсинки располагается пучок актиновых микро-филаментов в количестве 20-30. Одними концами филаменты закреплены на вершине микроворсинки, а нижняя часть филаментов вплетается в актиновый кортекс. Филаменты связываются в пучок поперечно расположенными белковыми молекулами (связками) фасцина и фимбрина. В составе микроворсинок обнаружен и сократительный белок минимиозин, который вызывает укорочение и удлинение микроворсинок.

Основными функциями микрофиламентов являются: поддержание формы и придание жесткости клетке (осуществляется кортексом); участие в формировании межклеточных соединений и в транспортных процессах - эндо-, пино-, экзоцитозе (осуществляется кортексом); участие в процессах перемещения клеточных органелл, секреторных пузырьков; в образовании микроворсинок и стереоцилий; в формировании актомиозиновых сократительных комплексов, а также в образовании клеточной перетяжки при цитотомии.

Рис. 4.28. Схема строения (а) микроворсинки и ультраструктура (б) апикальной поверхности столбчатого эпителиоцита: а: 1 - плазмолемма; 2 - актиновые филаменты; 3 - актинсвязывающие белки (фасцин и фимбрин); 4 - латеральный заякоривающий белок (минимиозин); 5 - аморфный материал верхушки микроворсинки; 6 - спектрин; 7 - кортекс - субмембранный актин, связанный спектрином; 8 - цитокератиновые филаменты; б - электронная микрофотография, стрелка - поперечник микроворсинки (увеличение 25 000)

Клеточный центр и его производные. Клеточный центр состоит из двух центриолей и центросферы. Основу центриоли составляют девять триплетов микротрубочек, расположенных по окружности и формирующих полый цилиндр (рис. 4.29). Диаметр цилиндра центриоли составляет около 0,15-0,2 мкм, длина - от 0,3 до 0,5 мкм. Одна из микротрубочек каждого триплета (микротрубочка А) состоит из 13 протофиламентов, две другие (В и С) редуцированы и содержат по 11 протофиламентов. Все микротрубочки триплета плотно прилежат друг к другу. Каждый триплет по отношению к радиусу формируемого ими цилиндра микротрубочки располагается под углом около 40°. В составе центриоли микротрубочки связаны поперечными белковыми мостиками, или ручками. Последние отходят от А- микротрубочки и одним концом обращены в сторону центра центриоли, другим - к С-микротрубочке соседнего триплета. Каждый триплет центриоли с внешней стороны связан с белковыми тельцами шаровидной формы - сателлитами, от которых в гиалоплазму расходятся микротрубочки, формирующие центросферу. Вокруг каждой центриоли обнаруживается тонковолокнистый матрикс, а сами триплеты погружены в аморфный материал умеренной электронной плотности, называемый муфтой центриоли.

Рис. 4.29. Схема (а) строения и ультраструктура центриоли в животной клетке: схема соответствует формуле (9*3)+0; поперечный и продольный срезы микротрубочек А, В и С; б - электронная микрофотография (увеличение 20 000)

В интерфазной клетке присутствует пара центриолей (дочерняя и материнская), или диплосома, которая чаще располагается вблизи комплекса Гольджи рядом с ядром.

В диплосоме продольная ось дочерней центриоли направлена перпендикулярно продольной оси материнской. Дочерняя центриоль в отличие от материнской не имеет перицентриолярных сателлитов и центросферы.

Центриоли выполняют в клетке функции организации сети микротрубочек (как в покоящихся, так и делящихся клетках), а также образуют микротрубочки для ресничек специализированных клеток.

Микротрубочки присутствуют во всех животных клетках за исключением эритроцитов. Они образованы полимеризованными молекулами белка тубу-лина, который представляет собой гетеродимер, состоящий из двух субъединиц - альфа- и бета-тубулина. При полимеризации альфа-субъединица одного белка соединяется с бета-субъединицей следующего. Так формируются отдельные протофиламенты, которые, объединяясь по 13, формируют полую микротрубочку, внешний диаметр которой составляет около 25 нм, а внутренний - 15 нм (рис. 4.30).

Каждая микротрубочка имеет растущий плюс-конец и медленно растущий минус-конец. Микротрубочки - один из наиболее динамичных элементов ци-тоскелета. Во время наращивания длины микротрубочки присоединение тубу-линов происходит на растущем плюс-конце. Разборка микротрубочек наиболее часто происходит с обоих концов. Белок тубулин, формирующий микротрубочки, не является сократительным белком, и микротрубочки не наделены способностью к сокращению и передвижению. Однако микротрубочки цитоскелета принимают активное участие в транспорте клеточных органелл и секреторных пузырьков.

Из препаратов микротрубочек отростков нейронов (аксонов) были выделены два белка - кинезин и динеин. Одним концом молекулы этих белков связаны с микротрубочкой, другим - способны связываться с мембранами органелл и внутриклеточных везикул. С помощью кинє- зина осуществляется внутриклеточный транспорт органелл к плюс-концу микротрубочки, а с помощью динеина - в обратном направлении.

Реснички и жгутики являются производными микротрубочек в клетках эпителиев воздухоносных путей, женского полового тракта, семявыносящих путей, а также в сперматозоидах.

Рис. 4.30. Схема строения (а) и ультраструктура (б) микротрубочек (стрелки) в дендрите нейрона: а: слева - продольное сечение, формирование протофиламентов из молекул альфа- (светлые) и бета- (темные) субъединиц тубулина; справа - поперечное сечение, 13 протофиламентов по окружности микротрубочки; б - электронная микрофотография (увеличение 25 000) (по А.П. Новожиловой)

Рис. 4.31. Апикальная поверхность реснитчатого эпителиоцита; сканирующая электронная микроскопия (увеличение 35 000) (по А.С. Ростовщикову)

Ресничка представляет собой тонкий цилиндр с постоянным диаметром около 300 нм (рис. 4.31). Это вырост плазмолеммы (аксолемма), внутреннее содержимое которого - аксонема - состоит из комплекса микротрубочек и небольшого количества гиалоплаз-мы. Нижняя часть реснички погружена в гиалоплазму и образована базальным тельцем. Микротрубочки располагаются по окружности реснички парами (дуплетами), повернутыми по отношению к ее радиусу под небольшим углом - около 10°. В центре аксонемы расположена центральная пара микротрубочек. Формула микротрубочек в ресничке описывается как (9*2)+2. В каждом дуплете одна микротрубочка (А) является полной, то есть состоит из 13 субъединиц, вторая (В) - неполной, то есть содержит только 11 субъединиц. А-микротрубочка имеет динеиновые ручки, направленные к микротрубочке В соседнего дуплета (рис. 4.32).

Рис. 4.32. Схема строения реснички на поперечном срезе: А, В - микротрубочки; 1 - плазмолемма; 2 - дуплет микротрубочек; 3 - центральный дуплет микротрубочек; 4 - центральная капсула (муфта); 5 - радиальная спица (связка); 6 - нектинсвязывающий белок; 7 - динеиновые ручки. Пояснения в тексте

С помощью нектинсвязывающего белка микротрубочка А соединяется с микротрубочкой В соседнего дуплета. От А-микротрубочки к центру аксонемы отходит радиальная связка, или спица, которая оканчивается головкой на так называемой центральной муфте. Последняя окружает центральную пару микротрубочек. Центральные микротрубочки в отличие от периферических дуплетов микротрубочек располагаются отдельно друг от друга на расстоянии около 25 нм. Базальное тельце реснички состоит из 9 триплетов микротрубочек. Микротрубочки А и В триплетов базального тельца, продолжаясь в микротрубочки А и В дуплетов аксонемы, составляют вместе с ними единую структуру.

Реснички не содержат в своем составе сократительных белков, но при этом совершают однонаправленные биения, не изменяя своей длины. Это происходит за счет смещения пар микротрубочек относительно друг друга (продольного скольжения дуплетов) в присутствии АТФ.

4.1.4. Система реактивности клетки (восприятия, трансформации и передачи сигналов)

Комплекс структур, обеспечивающий клетке свойства раздражимости и реактивности, тесно связан с плазмолеммой. Он представлен рецепторами, интегральными белками-переносчиками плазмолеммы, белковыми насосами и гликопротеинами гликокаликса (см. выше). Эти структуры выполняют функции восприятия (рецепции) и передачи (трансдукции) сигналов.

Роль многих рецепторов заключается в передаче гормональных сигналов внутрь клетки на специальные белки-ферменты, которые участвуют в формировании общих и специфических ответов клеток на гормональные стимулы. Чаще всего в роли такого фермента выступает аденилилциклаза, инициирующая превращение АТФ в циклический аденозинмонофосфат (цАМФ). Последний является активатором других ферментных систем, катализирующих специфические внутриклеточные ответы соответственно характеру поступившего стимула. В процессе трансдукции сигналов принимают участие интегральные белки плазмолеммы, так называемые G-белки. При связывании лиганда (молекул гормонов, трансмиттеров, ионов и др.) с рецепторной частью этого белка возникает передача активирующего или подавляющего стимула на ферменты цитоплазмы или открываются каналы для ионов из внеклеточного пространства в цитоплазму (рис. 4.33).

Рис. 4.33. Схема, показывающая взаимодействие лиганда с рецептором, при этом открывается канал для проникновения веществ (например, ионов кальция) из внеклеточного пространства в клетку

Так запускается каскад внутриклеточных биологических процессов, реализующийся в изменениях внутриклеточного метаболизма, делении, росте или гибели клеток.

Таким образом, рецепторная функция плазмолеммы адаптирует клетку к внешним условиям, способствует восприятию регулирующих факторов и сохранению постоянства внутриклеточного гомеостаза и жизнеспособности.

Кроме рецепторов, расположенных в плазмолемме, существует большая группа внутриклеточных рецепторов, например, в цитоплазме - к стероидным гормонам, рецепторы на мембранах митохондрий, комплекса Гольджи, ядра и др. Все они участвуют в метаболических реакциях клетки, играя важную роль в трансмембранном переносе веществ.

С помощью рецепторов обеспечивается специфический, или рецепторно-опосредованный, эндоцитоз (см. выше).

4.2. Воспроизведение Клеток

Время жизни большинства клеток тканей человека колеблется в широких пределах. Следует различать клетки с короткой продолжительностью жизни. Последняя равна времени от одного деления до другого и включает период подготовки к митозу - автосинтетическую интерфазу, и собственно митоз. Однако в гистогенезе большинство клеток после определенного числа делений переходит в гетеросинтетическую интерфазу, которая включает время роста, дифференцировки, функционирования, старения и смерти (рис. 4.34). При этом продолжительность жизни клетки возрастает. Например, клетки нервной ткани живут долго, сравнимо с продолжительностью жизни организма.

Рис. 4.34. Схема жизненного цикла клетки: G1 - пресинтетический период; S - синтетический период; G2 - постсинтетический период; 2n, 4n - количество хромосом, равное диплоидному или тетраплоидному набору

Основным способом деления животных клеток является митоз. Митозу предшествует автосинтетическая интерфаза. В последней выделяются три периода:

1)  G1 (от англ. gap - промежуток) - постмитотический, пресинтетический, во время которого отсутствует синтез ДНК;

2)  S - синтетический, на протяжении которого в хромосомах клеточного ядра осуществляется синтез новой молекулы ДНК;

3)  G2 - премитотический, постсинтетический, в течение которого клетка готовится к митозу.

Продолжительность указанных периодов в интерфазе различных клеток неодинакова. S-период следует считать одним из ключевых периодов, так как без синтеза ДНК невозможны митотическое деление и последующее образование дочерних клеток, идентичных по объему генетической информации исходной материнской клетке.

В процессе подготовки клетки к митозу во время S-периода интерфазы происходит удвоение молекул ДНК. Это явление принято называть репликацией ДНК. После окончания S-периода количество ДНК в ядре становится равным 4с, тогда как содержание ДНК в одном ядре в неделящихся диплоидных клетках составляет 2с.

Следовательно, после завершения митоза в дочерние клетки попадают по одной родительской и комплементарной ей новой (дочерней) цепи ДНК. Так в каждой дочерней клетке сохраняется исходная двухцепочечная структура молекулы ДНК - генетическая копия родительской.

Цикл клеточной репродукции регулируется многочисленными вне- и внутриклеточными механизмами. К внеклеточным относятся влияния на клетку цитокинов, факторов роста, гормональных и нейрогенных стимулов. Роль внутриклеточных регуляторов играют специфические белки цитоплазмы. В течение каждого клеточного цикла существуют несколько критических точек, соответствующих переходу клетки из одного периода цикла в другой (см. главу 5). Ключевое значение в прохождении каждого периода цикла и в подготовке клетки к вступлению в следующий период имеет сочетанное влияние внутриклеточных белков (GI-циклины, S-циклины, М-циклины и др.).

Таким образом, все критические точки цикла клеточной репродукции находятся под контролем комплекса внутриклеточных специализированных белков. Мутации генов, кодирующих некоторые из них, называются онкогенными. Например, в норме белок P53 («блюститель генома») воспринимает нарушение структуры ДНК и останавливает клетку в Gi или G2-периодах цикла. В случае, если невозможна репарация ДНК, белок P53 инициирует гибель клетки путем апоптоза. Существуют и другие белки, участвующие в регуляции синтеза и репарации ДНК, благодаря которым прерывается клеточный цикл (например, за счет блока расхождения сестринских хроматид в анафазе митоза).

В митозе выделяют четыре фазы: профаза, метафаза, анафаза и телофаза. Каждая из этих фаз характеризуется определенными изменениями в структуре ядра и цитоплазмы делящейся клетки (рис. 4.35).

Профаза. В профазе происходит конденсация хромосом, и они становятся видимыми при световой микроскопии. Хромосомы приобретают строение хорошо окрашивающихся нитей. Число хромосом равно 4n, что соответствует количеству ДНК 4с. В связи с инактивацией генов в области ядрышкового организатора и угнетением синтеза РНК в профазе отмечается исчезновение ядрышек. Ядерная оболочка постепенно распадается на фрагменты и мелкие мембранные пузырьки. При этом к противоположным полюсам клетки расходятся центриоли. В сателлитном участке материнской центриоли начинается образование микротрубочек, из которых формируются нити веретена деления.

Метафаза. Характерным событием для метафазы является перемещение хромосом в экваториальную плоскость веретена. Здесь они располагаются строго закономерно, образуя метафазную пластинку (при взгляде на веретено деления сбоку). Если рассматривать группу метафазных хромосом со стороны полюсов веретена, то отчетливо выступает фигура, напоминающая звезду (так называемая материнская звезда). В этот период можно определить число, форму и размеры хромосом (d-хромосом, двойных хромосом), составляющих метафазную пластинку. К концу метафазы продольные половинки хромосом (сестринские хроматиды) обособляются на всем протяжении, кроме зоны первичной перетяжки.

Для каждого вида животных характерно строго постоянное число хромосом в соматических клетках. Для человека оно равно 46. По длине хромосом различают чередование окрашенных и неокрашенных участков. При этом каждая хромосома отличается неповторимым рисунком дифференциальной окраски. Хромосомы человека подразделяются на семь групп по их размерам и особенностям строения (А, В, С, D, Е, F, G), и каждая хромосома имеет свой номер. Совокупность признаков строения хромосом, их размеров и числа составляет то, что называют кариотипом.

Анафаза включает процесс расхождения хромосом к полюсам делящейся клетки. Механизм движения хромосом объясняется гипотезой скользящих нитей, согласно которой состоящие из микротрубочек нити веретена, взаимодействуя друг с другом и с сократительными белками, тянут хромосомы к полюсам.

Скорость движения хромосом достигает 0,2-0,5 мкм/мин, а вся анафаза продолжается 2-3 мин. Анафаза заканчивается перемещением двух идентичных наборов хромосом (s-хромосом, или одиночных хромосом) к полюсам, где они сближаются, образуя фигуры, напоминающие по внешнему виду (если смотреть со стороны полюса) звезды. Эти фигуры называют дочерними звездами. Поскольку хромосомные звезды образуются у каждого из полюсов, данную стадию митоза иногда называют стадией двойной звезды (диастер), или стадией дочерних звезд (см. рис. 4.35).

Рис. 4.35. Фазы митоза: а - профаза; б - метафаза; в - анафаза; г - телофаза

Телофаза - конечная стадия митоза, в течение которой на полюсах веретена реконструируются дочерние ядра (рис. 4.36).

Перестройка телофазных хромосом напоминает процессы их изменения в профазе, но происходящие в обратном направлении. При взаимодействии хромосом с мембранными пузырьками цитоплазмы формируется ядерная оболочка. С переходом хромосом в интерфазное состояние образуются новые ядрышки. Телофаза завершается разделением тела клетки - цитотомией, или цитокинезом, что приводит образованию двух дочерних клеток.

Часть клеток после митоза может выходить из цикла репродукции и вступить на путь дифференцировки. Некоторые клетки могут выходить из клеточного цикла в О2-периоде (полиплоидные клетки). Клетки также могут переходить в состояние пролиферативного покоя (Оі-период). Такие покоящиеся клетки могут снова входить в цикл размножения.

Рис. 4.36. Телофаза митоза: незавершенная плазмотомия; две дочерние клетки содержат конденсированные хромосомы и связаны между собой цитоплазматическим мостиком; электронная микрофотография (увеличение 6000)

Атипические митозы. Наряду с типичными картинами митоза нередко наблюдаются атипические митозы, возникновение которых обусловлено теми или иными отклонениями в деятельности указанных выше основных клеточных компонентов - участников митоза. Так, если по каким-либо причинам клеточный центр не разделится надвое, то образуется однополюсное веретено деления. Такой митоз называют однополюсным, униполярным (от лат. unus - один) или моноцентрическим (от греч. monos - один). При этом варианте митоза хромосомы не расходятся к полюсам веретена, и деление клетки не завершается плазмотомией.

Нередко встречаются многополюсные митозы, в процессе которых образуется несколько клеточных центров (до 5-6 и больше). Это связано с делением клеточного центра (центросомы) не на две, как обычно, а на большее число центриолей. По числу полюсов различают многополюсные, или мультиполяр-ные (от лат. multum - много), или полицентрические (от греч. poly - много), а митозы называют три-, квадри-, гексаполярными и т.д. Чаще всего многополюсный митоз не завершается плазмотомией, вследствие чего образуются многоядерные гигантские клетки. Если же наступает цитотомия, то дочерние клетки содержат неравноценный генетический материал (явление анэуплоидии).

Ряд алкалоидов (колхицин) избирательно действует на веретено деления, в результате чего исключается возможность расхождения хромосом в анафазе. В этом случае течение митоза приостанавливается на стадии метафазы. Указанная разновидность атипического митоза в литературе известна под названием колхицинового митоза, или К-митоза. Колхицин используют в экспериментальной цитологии при подсчете количества митозов в тканях. Фибриллярные структуры веретена деления нарушаются также под действием бета-меркапто-этанола, эфира, нагревания и повышенного атмосферного давления.

Отклонения от нормального течения митоза могут быть связаны с изменениями структуры хромосом. Эти изменения называются хромосомными аберрациями (от лат. aberratio - уклонение). Различают несколько разновидностей хромосомных аберраций:

1) слипание хромосом;

2)  разрыв хромосомы на фрагменты;

3)  выпадение участка хромосомы при ее разрыве (нехватка, или делеция);

4)  транслокация - обмен обломками между двумя хромосомами;

5)  инверсия - переворачивание на 180° фрагмента хромосомы, расположенного между двумя переломами;

6)  дупликация - удвоение какого-либо участка хромосомы;

7)  отставание хромосом во время анафазного их перемещения с образованием хромосомных мостиков между расходящимися к полюсам комплексами хромосом. Из обособившихся при этом хромосом могут возникать маленькие ядра - кариомеры. Хромосомные аберрации возникают при действии на клетки ионизирующего излучения.

Эндомитоз. Эндомитозом (от греч. endon - внутри) называют вариант митоза, когда репликация хромосом не сопровождается исчезновением ядерной оболочки и образованием веретена деления. При эндомитозе в одних случаях хромосомы выявляются, в других же - они не видны. Путем повторных эндо­митозов количество хромосомных наборов в клеточном ядре может значительно увеличиваться. Ядро приобретает гигантские размеры. Эндомитоз лежит в основе полиплоидии.

Полиплоидией (от греч. poly - много и ploos - складывать) называют такое состояние клетки, когда в ней в результате предшествующих эндомитозов оказывается более двух гаплоидных наборов хромосом. Полиплоидизация, в отличие от митоза, осуществляется без снижения специфических клеточных функций и свойственна полифункциональным элементам (клеткам печени, сердца, слюнных желез и др.). В зависимости от числа хромосомных наборов в полиплоидных клетках их называют три- (при 3), тетра- (при 4), пентаплоидными (при 5) и т.д. Полиплоидные клетки отличаются гигантскими размерами. Они довольно часто встречаются в опухолевых тканях, а также в тканях, подвергнутых действию проникающей радиации.

Среди модификаций митоза имеется еще один особый его вариант, называемый мейозом (от греч. meiosis - уменьшение). В результате мейоза происходит уменьшение числа хромосом вдвое (от диплоидного к гаплоидному). Этот способ клеточного деления характерен для половых клеток (см. главу 22).

Амитоз - прямое деление клетки (ядра). При этом происходит перешнуровывание или фрагментация ядра без выявления хромосом и образования веретена деления. Одной из форм амитоза может быть сегрегация геномов - множественное перешнуровывание полиплоидного ядра с образованием мелких дочерних ядер. Как правило, амитоз встречается в полиплоидных, отживающих или патологически измененных клетках и ведет к образованию многоядерных клеток. В последние годы факт существования амитоза как способа нормальной репродукции клеток отрицается.

4.3. Рост И Дифференцировка Клеток

Синтетическая деятельность клеток проявляется в изменении их величины. При усилении синтеза наблюдается увеличение клеточных размеров и, наоборот, при снижении синтетической активности может происходить их уменьшение. Все клетки в той или иной степени способны к росту. Однако их рост ограничен определенными рамками. Некоторые клетки, например яйцевые, благодаря накоплению в них желтка могут достигать огромной величины. Значительно превышают обычные размеры гигантские клетки, образующиеся особенно часто в опухолевых тканях. Вместе с тем для клеток некоторых видов (например, для клеток крови) характерна стабильность средних размеров. Обычно клеточный рост сопровождается преимущественным увеличением объема цитоплазмы, тогда как величина ядра изменяется в меньшей степени.

На протяжении онтогенеза строение клеток непрерывно изменяется. Прогрессирующие изменения клеток, связанные с появлением морфологических и функциональных различий между ранее индифферентными (однородными) клетками и обусловленные их специализацией в процессе развития, называют дифференцировкой клеток. Биохимической основой этого процесса является синтез специфических белков и других веществ. В общем виде молекулярные основы синтеза белков складываются из транскрипции первичной структуры матричной РНК (мРНК) на основе информации ДНК-гена, кодирующей области генов - эк-зонные области; процессинга мРНК, в результате которого из новообразованной цепи удаляются несмысловые последовательности нуклеотидов (интро-ны); перехода новообразованной мРНК в цитоплазму и трансляции - синтеза белка на аппарате синтеза белков клетки (рис. 4.37).

Рис. 4.37. Схема транскрипции генетического кода с молекулы ДНК на молекулу матричной РНК. Пояснения в тексте

Дифференцировка клеток сопровождается изменениями внешнего вида, темпа развития (ускоренное или замедленное) и усложнением внутриклеточных ультраструктур (в ряду малодифференцированные - высокодифференцированные клетки).

Усложнение структуры клетки сопровождается следующими изменениями: приобретением определенной формы и размеров ядра и клетки; сдвигом ядерно-цитоплазменного отношения в связи с более значительным ростом цитоплазмы по сравнению с ядром; развитием органелл; образованием специализированных клеточных структур; синтезом специфических включений; образованием межклеточного вещества; появлением межклеточных взаимодействий и установлением межклеточных простых и специализированных контактов. Дифференцированная клетка распознается под световым микроскопом (рис. 4.38). Так, эпителиальные клетки приобретают кубическую, столбчатую или плоскую форму. Клетки тканей внутренней среды более разнообразны по форме. Некоторые соединительнотканные клетки вырабатывают межклеточное вещество. Мышечные клетки содержат миофибриллы. Между нейронами формируются синаптические контакты.

Рис. 4.38. Ультраструктура дифференцированной клетки (лимфоцит): 1 - эухроматин; 2 - гетерохроматин; 3 - митохондрии; 4 - центриоль; 5 - комплекс Гольджи; электронная микрофотография (увеличение 12 000)

Для разных тканевых клеток характерны определенные взаимоотношения между процессами дифференцировки и деления. Однако в целом по мере повышения степени дифференцировки способность клеток к делению закономерно уменьшается.

В гистогенезе клетки определенного цитотипа интегрируются, частично теряя автономность, присущую ранней стадии (пролиферативной), вследствие формирования регуляторных механизмов, оказывающих влияние на цитодифференцировку.

Клетки в составе тканей многоклеточных организмов имеют различную продолжительность жизни. В некоторых тканях, например в эпителиях, смена клеточного состава происходит довольно быстро. По данным ряда исследователей, жизнь эпителиальных клеток (в частности, в кишечном эпителии) измеряется несколькими сутками. В других тканях (например, в мышечной и нервной) продолжительность жизни клеток сравнима с продолжительностью жизни организма. Так или иначе, клеточный состав организма не остается постоянным, он непрерывно изменяется в результате гибели части клеток и замены их новыми клеточными поколениями. В нормальных физиологических условиях гибели клеток предшествуют процессы старения. Последние сопровождаются снижением функциональной активности, а также появлением ряда специфических цитологических признаков старения (уплотнения хроматина в ядре, исчезновения ядрышка, нарушения структуры органелл и др.). Гибель клеток характеризуется сморщиванием ядра и клетки в целом, диффузной окрашиваемостью и исчезновением специализированных структур, распадом клетки на фрагменты, которые фагоцитируются соседними клетками или макрофагами (см. ниже).

4.4. Реактивные Изменения И Гибель Клеток

При действии разнообразных механических, химических, физических или биогенных факторов имеют место реактивные изменения структуры и функций клеток. Достаточно сильные раздражители вызывают состояние клетки, пограничное со смертью. Для обозначения такой предельной степени еще обратимого повреждения клетки Д.Н. Насонов и В.Я. Александров (1934) предложили термин «паранекроз» (от греч. para - около и nekros - мертвый). Это явление с физико-химической точки зрения характеризуется подавлением гранулообразования, диффузным окрашиванием цитоплазмы, уменьшением дисперсности коллоидов, повышением вязкости, сдвигом реакции цитоплазмы в кислую сторону и обратимостью этих изменений в начальных фазах действия агентов.

Представляют интерес реактивные изменения клеток и клеточных орга-нелл, которые развиваются при действии различных факторов, сопутствующих боевому поражению.

Повреждающее действие ионизирующей радиации на клетку связано в основном с ионизацией воды, входящей в ее состав, при которой образуются биологически активные радикалы, вызывающие повреждение белков клеточных мембран. Более чувствительны и быстрее подвергаются денатурации белки, входящие в состав ферментов, особенно тех, которые содержат сульфгидрильные группы. Нарушение внутриклеточных окислительно-восстановительных процессов приводит к накоплению биологически активных метаболитов денатурированных белков, которые вызывают дополнительные повреждения клеток.

В клетках наиболее чувствительны к действию радиации митохондрии - центры окислительно­восстановительных реакций. Они набухают, их матрикс просветляется, кристы укорачиваются, сглаживаются и полностью исчезают. Позднее митохондрии распадаются. Вследствие деструкции и гибели митохондрии в клетке угнетается синтез АТФ.

Весьма чувствительны к повреждению как агранулярная, так и гранулярная части эндоплазматической сети. Цистерны и канальцы этих органелл вначале расширяются, а затем фрагментируются. Количество рибосом при облучении снижается, соответственно уменьшается содержание рибонуклеопротеидов в цитоплазме белоксинтезирующих клеток. Число лизосом может быть увеличенным, они группируются вокруг разрушающихся органелл, происходит аутофагия продуктов распада. В ядрах клеток отмечаются слипание и перераспределение хроматина, возможна отслойка наружной ядерной мембраны с образованием пе-ринуклеарных вакуолей. При этом может наступить распад ядер и гибель клеток.

Ионизирующая радиация оказывает повреждающее действие на клетку и во время деления. Клетки в интерфазе, будучи облученными, внешне могут выглядеть нормальными. Повреждение выявляется при последующем делении, когда возникают аномальные фигуры митоза. Митотические хромосомы изменяют форму, возникают их разрывы, иногда с последующим неправильным соединением фрагментов. Наблюдаются аномалии веретена деления, оно может иметь три и более полюсов. В связи с этим в анафазе расхождение хромосом к полюсам оказывается неравномерным и некоторые хромосомы отстают, образуя хромосомные мостики. В других случаях хромосомы реплицируются, а деления ядра не происходит, в результате чего образуются клетки с крупными полиплоидными ядрами.

Излучение, воздействуя на генетический аппарат клетки, может вызывать мутации. Измененные при этом гены в процессе митоза удваиваются, и дочерние клетки будут обладать качествами клеток, испытавших лучевое воздействие. Возникшая таким путем в клетках организма мутация может дать начало злокачественной опухоли.

Достоверным признаком гибели клетки является нарушение структуры ядра. Различают следующие формы изменения ядра: пикноз, лизис, рексис.

Пикноз (от греч. pyknos - уплотнение) характеризуется интенсивным окрашиванием гомогенной массы ядерного вещества (гиперхроматоз), его уплотнением и сморщиванием вследствие потери воды (рис. 4.39).

Рис. 4.39. Кариопикноз: 1 - ядро; 2 - цитоплазма; электронная микрофотография (увеличение 6000)

Лизис (от греч. lysis - растворение), наоборот, сопровождается набуханием ядер и их слабой окрашиваемостью с последующим полным растворением хроматина, что обозначается как хроматолиз. При этой форме гибели клеточные ядра напоминают тени нормальных ядер. Ка-риорексис (от греч. rhexis - разрыв) отличается раздроблением хроматина на отдельные глыбки, после чего происходит обычно их растворение. Одновременно с этим в цитоплазме гибнущих клеток отмечается появление вакуолей. При этом цитоплазма постепенно теряет способность окрашиваться гистологическими красителями. Распадающиеся клетки удаляются путем автолиза (самопереваривания под действием литических ферментов), путем фагоцитоза или в результате автолиза и фагоцитоза.

Кроме того, существует явление запрограммированной гибели клеток (апо-птоз), которое возникает в результате запуска собственной программы самоуничтожения при участии внутренних и внешних по отношению к клетке факторов (рис. 4.40).

В составе плазмолеммы идентифицированы рецепторы гибели (например, Fas, TNF и др.), важнейшая функция которых связана с передачей цитотоксических сигналов внутрь клетки. Внутриклеточными ферментными белками, запускающими апоптоз (фрагментацию ДНК, нарушение структурных белков, активацию киназ и клеточного цикла), являются ферменты семейства цистеинсодержащих протеаз, именуемых каспазами. При действии лиганда на рецептор возникает реакция, в результате которой запускается каскад реакций, результирующим итогом которого является гибель клетки.

Самое раннее морфологическое проявление апоптоза - возникновение в ядре резко очерченных уплотненных гомогенных масс хроматина с внутренней стороны ядерной оболочки. Наступает ядерная и цитоплазматическая фрагментация (рис. 4.41).

В дальнейшем фрагменты клетки поглощаются соседними клетками. При этом признаки воспаления отсутствуют. Апоптоз наблюдается как в эмбриональном, так и в постнатальном гистогенезе (рис. 4.42).

Таковы в общих чертах основные проявления жизнедеятельности клеток. Приведенные выше материалы свидетельствуют о неразрывном единстве структуры и функции клеточных органелл. В живых клетках структурные компоненты выполняют четко установленные функции, и эти функции имеют вполне соответствующие им морфологические эквиваленты. Клетка, благодаря тесному взаимодействию всех структурных компонентов, представляет собой целостную биологическую систему на всех этапах жизненного цикла.

Рис. 4.40. Схема цитологических изменений при некрозе и апоптозе (по А.Н. Wyllie и соавт., 1998, с изменениями)

Рис. 4.41. Апоптоз клетки: 1 - электронноплотные фрагменты ДНК в ядре; 2 - цитоплазма; электронная микрофотография (увеличение 10 000)

Рис. 4.42. Апоптоз ядер в мышечных трубочках скелетной мышечной ткани (стрелка) плода человека 8-9 нед развития; окраска гематоксилином и эозином (увеличение среднее)

4.5. Заключение

Рассматривая с общебиологических позиций клетку как элементарную единицу живой материи, важно определить ее положение и роль в составе иерархически наиболее высокоорганизованной биологической системы - организма. Здесь клетка выступает как ведущая структурно-функциональная единица самостоятельного уровня структурной организации живого - ткани. В ткани каждый вид клеток запрограммирован на выполнение ряда специальных функций. Для того чтобы выполнять эти функции в соответствии с потребностями и адаптивными свойствами ткани, клетка должна активно воспринимать тканевое окружение, реагировать на него и изменять свою функциональную активность в зависимости от общетканевого гомеостазиса. Для этого в клетке значительная ее часть представлена мембранными структурами, важнейшей из которых является плазмолемма. Будучи пограничным мембранным комплексом клетки, плазмолемма с помощью рецепторной системы связывает внутриклеточную среду с тканевой; обеспечивает межклеточные отношения и взаимодействие регуляторных механизмов ткани с внутриклеточными структурами и является важнейшей частью системообразующего механизма гистогенеза. Воспринимая изменения тканевой среды (микроокружения), плазмолемма передает эту информацию по трансдукторной сети внутрь клетки на ключевые функциональные комплексы (ферментные белки, депо кальция, ядро и пр.), которые обеспечивают перестройку физиологической активности клетки. Благодаря тесному посредническому контакту плазмолеммы с тканевой средой, с одной стороны, и прямой связи с ключевыми внутриклеточными функциональными комплексами - с другой, клетка представляет собой целостную, устойчивую и вместе с тем необычайно динамичную биологическую систему. Клетке свойственны все черты живого, а именно - генетическая индивидуальность и способность передавать ее будущим поколениям, реактивность, обмен веществ и подвижность.

Контрольные вопросы

1.  Основные положения клеточной теории. Теоретическое и практическое значение клеточной теории.

2.  Общая характеристика строения и функции клеточных компартментов.

3.  Характеристика жизненного цикла клетки.

4.  Реактивные изменения клеток при действии экстремальных факторов среды.