Ядро – основной компонент эукариотических клеток.

РАЗДЕЛ 4. ОСНОВЫ ЦИТОЛОГИИ

Занятие 2.

Основные структурныекомпоненты эукариотической клетки: наружная клеточная мембрана и ядро. Межклеточные контакты. Транспорт веществ. Неклеточные структуры организма.

Ядро – основной компонент эукариотических клеток.

Термин «ядро» впервые применил Броун в 1831г.

Любая эукариотическая клетка (за исключением - зрелых эритроцитов млекопитающих и зрелых члеников ситовидных трубок флоэмы), содержат ядра.

Как правило, клетка содержит только одно ядро. Однако, ряд клеток - это клетки печени, некоторые нейронах, кардиомиоциты имеют два ядра, (у некоторых простейших (инфузории) – ядра разного размера - макро - и микронуклеосы). Многоядерными напр. являются поперечно-полосатые мышеч­ные волокна (симпласт).

Наиболее крупным ядром обладает яйцеклетка. Ее ядерно-цитоплазматическое соотношение (соотношение объема ядро к объему цитоплазмы) сдвинуто в сторону цитопдазмы, а у сперматозоидов – наоборот.

Форма ядер эукриотических клеток очень разнообразна, но, как правило, они повторяют форму клетки - сферические овальные, удлиненные, сегментированные, кольцевидные.

Расположение ядра

· в животных клетках – как правило, центральное. Исключением являются клетки тонкого кишечника, желез внут­ренней секреции и пищеварительных же­лез человека.

· В молодой растительной клетке ядро, также может занимать центральное положение (т.к. вакуоль еще мелкая), а в «старых» - расположено на переферии.

 

Хроматин

Хроматин – это одно из возможных структурно-функциональных состояний наследственного материала, т.е. ДНК. В таком состоянии наследственный материал находится на протяжении всего периода жизни клетки, за исключением периода деления клетки. В период деления (метафаза) ДНК приобретает вид хромосом.

Химический состав:

· ДНК – 40%,

· Белки (60%): гистоновые – 40% и негистоновые – 20%,

· РНК – следы.

 

Выделяют 2 вида хроматина:

· Эухроматин – деспирализованный (раскрученный), активный, транскрибируемый (участвует в процессах транскрипции), менее окрашенный.

· Гетерохроматин – спирализованный (скрученный), конденсированный, неактиывный, нетранскрибируемый, более интенсивно окрашен.

Функция: это на 98-99% наследственный материал клетки.

Ядерный сок

Ядерный сок (кариоплазма) - внутренняя среда ядра, представляющая собой коллоидное (гелеобразное) вязкое вещество, в котором находятся структуры ядра, а также ферменты и нуклеотиды, необходимые для репликации, транскрипции.

Функция ядерного сока: осуществление взаимосвязи ядерных структур и обмен с цитоплазмой клетки.

Ядрышки

Ядрышки – это мелкие, обычно шаровидные тельца, являющиеся непостоянными компонентами ядра - они исчезают в начале деления клетки (профаза) и восстанавливаются после его окончания (телофаза).

Возникновение ядрышек связано с ядрышковыми организато­рами, расположенными в области вторичных перетяжек спутничных хромосом (13, 14, 15, 21 и 22 пары). В области вторичных перетяжек локализованы гены, кодирующие синтез рибосомальных РНК.

Число ядрышек может быть различным – 1-5 ядрышек на гаплоидный набор и до 10 на диплоидный набор.

Состав ядрышка:

· Основным компонентом ядрышка является белок.

· Кроме белка в составе яд­рышка обнаружены нуклеиновые кислоты: РНК (5-14%) и ДНК (2-12%).

Функция ядрышек: синтез субчастиц рибосом (образование готовой работающей рибосомы происходит в цитоплазме во время трансляции).

Упаковка ДНК в хромосому

ДНК в клетке не может находится в «чистом» состоянии, она всегда связана с белками.

Выделяют два основных структурно-функциональных состояния генетического материала (ДНК): хроматин и хромосома.

 

Для укладки ДНК в хромосому необходимо:

· ДНК,

· Белки, необходимые для упаковки нитей ДНК.

Уровни укладки:

1. Нуклеосомный

2. Нуклеомерный

3. Хромомерный

4. Хромонемный

5. Хромосомный

 

За счет этих уровней ДНК утолщается и укорачивается. 1 ДНК – это 1 хромосома.

 

Структурно-функциональной единицей хромосом (хроматина) является – нуклеосома.

Нуклеосомный уровень

В состав нуклеосомы входят 8 белки, образующие октамер.

Молекула ДНК (140-146 нуклеотидных пар) делает 1,75 оборота вокруг октамера.

 Далее идет линкерный участок ДНК (между октамерами), содержит около 60 пар нуклеотидов.

Линкерный участок содержит специальный белок, который еще ближе подтягивает нуклеосомы друг к другу на следующем этапе укладки.

Т.о. в состав нуклеосомы входит около 200 нуклеотидных пар.

Нуклеомерный уровень

8 нуклеосом сворачиваются в «клубочки»-«супербусинки», образуя одну нуклеомеру. Цепочка нуклеомер имеет вид хроматиновой (нуклеомерной) фибриллы. ДНК еще больше утолщается и укорачивается.

 

Хромомерный уровень

Хроматиновая фибрилла сворачивается в петли – «домены» («бантики»). Для «скрепления» доменов используются другой тип белков. С помощью этого белка домены фиксируются на внутренней ядерной мембране. Вся эта структура называется – хромомерная нить.

 

Хромонемный уровень

Хромомерная нить укладывается в параллельные тяжи, образуя хромонемы.

Денверская (1960)

Группа А. Хромосомы 1-3	Самые крупные. Хромосома 1 имеет почти медианную центромеру. Хромосома 2 почти равна первой, имеет субмедианную центромеру. Хромосома 3 короче первой и второй. Положение центромеры медианное.
Группа В. Хромосомы 4-5.	Крупные хромосомы с субакроцентрически расположенными центромерами. Не отличаются друг от друга.
Группа С. Хромосомы 6- 12 и Х хромосома	Субметацентрические хромосомы. Хромосомы 6.7. Седьмая хромосома более метацентрична, чем девятая, из хромосом 10,11,12 – 12 наиболее субметацентрична, 11-ая иногда самая короткая.
Группа D. Хромосомы 13-15.	Акроцентрические хромосомы между собой не различаются.
Группа Е. Хромосомы 16-18.	Хромосома 16 – короткая с субмедианным расположением центромеры. Хромосома 17. Хромосома 18 – самая короткая, положение центромеры субакроцентрическое.
Группа F. Хромосомы 19,20.	Короткие, с почти медианным расположением центромеры не отличаются друг от друга.
Группа G. Хромосомы 21,22 и У – хромосома.	Хромосома 21, 22 – акроцентрические.

 

Парижская (1971)

На хромосоме при специальном окрашивании обнаруживаются поперечные полосы («бэнды»), расположение ко­торых характерно для каждой хромосомы. Избирательное окрашивание связано с локализацией гетерохроматина.

 

Дифференциальное ок­рашивание позволяет четко отличить хромосомы одной группы друг от друга.

Диагностические возможности метода:

1. выявление изменений числа (Денверская классификация) и структуры (Парижская) хромосом

2. определение кариотипа

3. определение заболеваний, вызванных геномными и хромосомными мутациями

4. определение пола.

 

Мембраны

В основе любой оболочки (плазмолемма животной клетки, мембраны органелл и включений, ядерная оболочка и т.д.) лежит элементарная биологическая мембрана, состоящая из бислоя (двойного) липидов и белков.

В 1972 г. Сингер и Николсон предложили «жидкостно-мозаичную модель» строения мембраны: «белковые молекулы плавают в жидком бислое липидов, образуя в нем как бы своеобразную мозаику». 

Основные компоненты любой мембраны:

1. Липиды

2. Белки

Липиды

 

Липиды в мембранах представлены фосфолипидами, гликолипидами и стеролами.

 

Липиды состоят из o головки - полярной (заряженной) гидрофильной (растворимой в воде), o хвоста - неполярного (незаряженного) гидрофобного (нерастворимого в воде).   Липиды в бислое мембраны располагаются друг к другу гидрофобными хвостами, а головки обращены к наружи.

 

Состав жирных кислот в клетках, в том числе и в их мембранах, у пресноводных рыб, оби­тающих в средних широтах, зависит от температуры окружающей среды. Летом в клетках бывает больше ненасыщенных, а зимой – насыщенных жирных кислот. В клетках теплокровных животных насыщенных жирных кислот больше чем их в клетках холоднокровных.

Белки

Белки в мембране могут по разному располагаться относительно бислоя:

· Поверхностные или периферические: внутренние и наружные;

· Полуинтегральные (полупогруженные);

· Интегральные (трансмембранные, сквозные).

В структуре плазмолеммы, кроме элементарной биологической мембраны, выделяют надмембранный и подмембранный комплексы.

Надмембранная система

Надмембранный комплекс называется гликокаликсом.

В его состав входят:

· периферические белки мембраны,

· углеводные части гликолипидов (соединения липидов с углеводами) и гликопротеинов (соединения белков с углеводами).

 

Функция гликолипидов и гликопротеинов мембраны, а следовательно и гликокаликса и всей мембраны в целом, - рецепторная (распознающая), обеспечивает «индивидуализацию» клетки.

Растительная клетка поверх цитоплазматической мембраны имеет клеточную стенку, состоящую из целлюлозы.

Субмембранная система

 

Состоит из микротрубочек и микрофиламентов, формирующих цитоскелет клетки.

Свойства мембран

- Все мембраны замкнуты сами на себя. В клетке нет мембран со свободными концами.

- Плазматическая мембрана обладает малой вязкостью, что позволяет ее белкам быстро перемещаться в латеральном направлении.

- Мембрана очень динамичная структура – ее свойства меняются под действием факторов окружающей среды, что непременно будет сказываться на функциях, которые мембраны выполняют. И белки и липиды мембраны могут перемещаться как в пределах одного слоя, так и из одного слоя в другой.

- Плазматические мембраны постоянно обновляются.

- Мембраны ассиметричны – нет симметрии между верхним и нижним слоями липидов.

- Клеточные мембраны обладают избирательной проницаемостью; через них медленно диффундируют глюкоза, аминокислоты, жирные кислоты, глицерол и ионы. Мембраны сами регулируют этот процесс - одни вещества пропускают, другие – нет.

Функции мембран:

- Отграничивающая – содержимое клетки,

- Барьерная,

- обеспечивают связь с внеклеточной средой,

- регуляторная - регулируют обмен между клеткой и средой;

- барьерная функция - являются осмотическим барьером;

- выполняют транспортную функцию;

- выполняют структурную функцию – являясь структурным компонентом большинства органоидов, делят клетки на отсеки, (или компартменты), предназначенные для тех или иных специализированных метаболических путей;

- ферментативную - некоторые химические реакции, в частности световые реакции фотосинтеза в хлоропластах или окислительное фосфорилирование при дыхании в митохондриях, протекают на самих мембранах;

- рецепторную - на мембранах располагаются рецепторные участки (гликолипиды, гликопротеины) для распознавания внешних стимулов (гормонов или других химических веществ), поступающих из окружающей среды или из другой части самого организма;

- принимает участие в образовании межклеточных контактов.

Транспорт

Плазматическая мембрана, является полупроницаемой. Это значит, что через нее с различной скоростью проходят разные молекулы, и чем больше размер молекул, тем меньше скорость прохождения их через мембрану.

Транспорт веществ обеспечивает:

1. поддержание гомеостаза

2. поступление веществ в клетку (эндоцитоз)

3. выведение веществ из клетки (экзоцитоз)

4. создание ионного градиента.

 

Пассивный транспорт

Диффузия – это самопроизвольный процесс перемещения вещества (молекул или ионов) из области с большей концентрацией в область с меньшей концентрацией (т.е. по градиенту концентраций) без затраты энергии, приводящий к выравниванию его концентрации.

Диффузию можно наблюдать, например, если оставить открытой склянку с концентрированным раствором аммиака в большой комнате. Очень скоро замах аммиака распространится по всей комнате. Хотя любая молекула может двигаться в любом направлении, реальный поток молекул направлен из склянки наружу, т. е. от источника, где их концентрация велика, в те области, где их концентрация ниже.

Простая диффузия – характерна для веществ, хорошо растворимых в липидах (кислород, углекислый газ). Особенно легко проходят через плазматическую мембрану гидрофобные (т.е. легко растворяющиеся в неполярных органических жидкостях) молекулы, например: эфиры, спирты, жирные кислоты.

Облегченная диффузия – характерна для веществ не растворимых в липидах. Следовательно, они не могут пройти через липидный бислой мембраны и поэтому для их транспорта существуют белковые каналы или они перемещаются при помощи белка переносчика, но без затраты энергии и по градиенту концентрации. С помощью переносчиков транспортируются небольшие гидрофильные молекулы: моносахариды, амино- и органические кислоты, нуклеотиды, а также анионы, для которых гидрофобный матрикс мембраны практически непроницаем.

Осмос – это процесс диффузии растворителя (напр., воды) через полупроницаемую мембрану из менее концентрированного раствора в более концентрированный раствор. Возникающее давление на мембрану называется – осмотическим.

Растворы

На основе сравнения концентраций веществ в клетке и вещества в растворе выделяют изотонические, гипотонические и гипертонические растворы.

 

	Гипертонический раствор	Изотонический раствор	Гипотонический раствор
Характеристика раствора	Концентрация солей в растворе выше, концентрации солей в клетке.	Концентрация солей в растворе равна концентрации солей в клетке.	Концентрация солей в растворе ниже, концентрации солей в клетке.
Пример раствора	Гипертонический раствор NaCl – более 0,9%	0,9% р-р NaCl, изотонический раствор или физ р-р	дистиллированная вода
Направление движения воды	Из клетки	Не изменяется	В клетку
Происходящий процесс	Дегидратация Обезвоживание клетки	Клетка остается неизменной	Гидратация, гипергидротация клетки и ее «набухание»
Наблюдаемое явление	Плазмолиз, Это обратимый процесс. Явление обратное плазмолизу – деплазмолиз.	Тургор клеток находится в нормальном состоянии	Деплазмолиз. При длительном действии раствора – цитолиз (разрушение любой клетки), гемолиз (частный случай цитолиза, при разрушении эритроцитов).
Особенности у растительных клеток	В растительной клетке отмечается только сжатие цитоплазмы, но форма клетки не меняется, т.к. имеется клеточная стенка.	Тургор клеток находится в нормальном состоянии	Тургор клетки при этом восстанавливается.
Особенности у животных клеток	Клетка не имеет жесткой клеточной стенки, поэтому происходит деформация клетки	Тургор клеток находится в нормальном состоянии	Идет сначала восстановление тургора, а зтем за счет гипергидратации наблидается набухание и разрушение клетки - цитолиз.
Медицинское значение:	o повязки при гнойных ранах, o слабительные клизмы, o при гипертонии. o отеках	o используется при кровопотерях, o интоксикациях разной этиологии, o при обезвоживании разной причины (рвота, диарея, ожоги). o Для разведения лекарственных веществ при в/в и в/м введении.	В большом объеме и особенно в/в их использовать нельзя – т.к. это может привести к лизису клеток. o Иногда растворяют  лекарственные препараты для внутримышечных инъекций. o Используют для разведения питательных веществ при ректальном введении, для улучшения всасывания.

Активный транспорт

Активный перенос ионов и веществ против градиента концентрации, с потреблением энергии за счет расщепления молекул АТФ.

Транспорт макромолекул (белков, нуклеиновых кислот, полисахаридов, липопротеидных комплексов и др.) сквозь клеточные мембраны проходит посредством везикулярного переноса. Т.е. в составе специальных пузырьков – везикул.

Такой везикулярный перенос можно разделить на два вида:

o экзоцитоз - перемещение из клетки макромолекулярных продуктов,

o и эндоцитоз - поглощение клеткой макромолекул.

 

Эндоцитоз разделяют на:

 

o пиноцитоз - з ахват клеточной поверхностью жидкости с содержащимися в ней веществами.

o фагоцитоз - захват и поглощение клеткой крупных частиц (иногда даже клеток или их частей).

 

Эти процессы связаны с активной деятельностью и подвижностью плазмолемы.

Фагоцитоз.

 

Фагоцитоз встречается

 

- у одноклеточных (например, у амебы, некоторых хищных инфузорий) – является средством пищеварения,

- у многоклеточных жи­вотных - у высокоорганизованных животных и человека этот процесс участвует в защитных реакциях организма. При этом большое значение имеет фагоцитарная активность лейкоцитов, благодаря которой организм оказывается невосприимчивым ко многим инфекционным заболеваниям. Это положение легло в основу фагоцитарной теории иммунитета разработанной Мечниковым.

Этапы фагоцитоза.

Вещество (субстрат), подлежащее фагоцитозу, подходит к мембране (адсорбируется) и прилипает к ней (адгезия).

Мембрана под этой частицей начинает «прогибаться», образуя инвагинат – стадия инвагинации. В результате инвагинации субстрат со всех сторон окружается мембраной – происходит обволакивание субстрата с образованием фагосомы.

Если субстратом фагосомы является часть клетки данного организма – такую фагосому называют аутофагосомой, а если чужеродная частица (напр., бактерия) – гетерофагосома.

В любой клетке всегда имеются первичные лизосомы (см. занятие 1 «Цитология»), содержащие гидролитические ферменты.

Они сливаются с фагосомой, образуя вторичную лизосому – которая будет содержать ферменты и вещество подлежащее расщеплению.

Под действием ферментов происходит переваривание вещества с образованием «нужных» и «не нужных» клетке веществ. Нужные всасываются в цитоплазму клетки, а не нужные остаются в лизосоме, которая теперь называется – третичной или остаточным тельцем (телолизосома).

Оно подходит к мембране и путем экзоцитоза «выбрасывает» наружу свое содержимое.

                                    

1 – цитоплазматическая мембрана клетки, 2- шероховатая ЭПС, 3 – аппарат Гольджи, 4 – первичная лизосома, 5 – субстрат, подлежащий фагоцитозу, 6 – адсорбция и адгезия, 7 – инвагинация, 8 – фагосома, 9 – вторичная лизосома 10 – переваривание во вторичной лизосоме, 11 – третичная лизосома (остаточной тельце), 12 – экзоцитоз, 13 – ядро, 14 – и-РНК.

 

 

Ионный насос (на примере N а/К – насос)

Ионы натрия и калия имеются как в клетке, так и вне клетки, но их концентрации по обе стороны мембраны различны: калия в клетке в 10 раз больше чем вне клетки, а натрия наоборот (в 1,5 раза).   Перенос ионов осуществляет сложный белок - Nа/К - АТФ-аза, встроенный в цитоплазматическую мембрану и имеющий центры связывания для ионов натрия и калия.

 

Для работы этого белка переносчика требуется энергия АТФ.

 

РАЗДЕЛ 4. ОСНОВЫ ЦИТОЛОГИИ

Занятие 2.

Основные структурныекомпоненты эукариотической клетки: наружная клеточная мембрана и ядро. Межклеточные контакты. Транспорт веществ. Неклеточные структуры организма.

Ядро – основной компонент эукариотических клеток.

Термин «ядро» впервые применил Броун в 1831г.

Любая эукариотическая клетка (за исключением - зрелых эритроцитов млекопитающих и зрелых члеников ситовидных трубок флоэмы), содержат ядра.

Как правило, клетка содержит только одно ядро. Однако, ряд клеток - это клетки печени, некоторые нейронах, кардиомиоциты имеют два ядра, (у некоторых простейших (инфузории) – ядра разного размера - макро - и микронуклеосы). Многоядерными напр. являются поперечно-полосатые мышеч­ные волокна (симпласт).

Наиболее крупным ядром обладает яйцеклетка. Ее ядерно-цитоплазматическое соотношение (соотношение объема ядро к объему цитоплазмы) сдвинуто в сторону цитопдазмы, а у сперматозоидов – наоборот.

Форма ядер эукриотических клеток очень разнообразна, но, как правило, они повторяют форму клетки - сферические овальные, удлиненные, сегментированные, кольцевидные.

Расположение ядра

· в животных клетках – как правило, центральное. Исключением являются клетки тонкого кишечника, желез внут­ренней секреции и пищеварительных же­лез человека.

· В молодой растительной клетке ядро, также может занимать центральное положение (т.к. вакуоль еще мелкая), а в «старых» - расположено на переферии.