Основными структурами цитоплазмы являются, как упомянуто ранее, гиалоплазма (матрикс), органеллы и включения.
Гиалоплазма (от греч. hyalos — стекло), занимающая около 53-55\% объема клетки, в физико-химическом отношении представляет собой коллоид, состоящий из воды, ионов и многих молекул органических веществ, комплексных соединений типа гликолипидов, гликопротеинов и липопротеинов. В гиалоплазме взвешены органеллы и включения. В гиалоплазме осуществляется наиболее распространенный процесс выделения энергии — гликолиз, представляющий собой последовательную цепь ферментативных реакций, в результате которых шестиуглеродная молекула глюкозы распадается на две трехуглеродные
молекулы пировиноградной кислоты. При гликолитическом расщеплении одной молекулы глюкозы образуются 4 молекулы АТР.
Органеллы — это структуры цитоплазмы, выполняющие конкретные функции, необходимые для поддержания жизнедеятельности клетки. Это обеспечение ее энергетического обмена, синтетических процессов, транспорта веществ и т. п. Органеллы, присущие всем клеткам, называют органеллами общего значения, присущие некоторым специализированным видам клеток — специальными. В зависимости от того, включает структура органеллы биологическую мембрану или нет, различают органеллы мембранные и немембранные.
Органеллы общего значения. Мембранные органеллы. Каждая мембранная органелла представляет собой структуру цитоплазмы, ограниченную биологической мембраной. К мембранным органеллам относятся митохондрии, эндоплазматическая сеть, внутренний сетчатый аппарат (комплекс Гольджи), лизосомы и пероксиомы.
Митохондрии участвуют в процессах клеточного дыхания и преобра- зуют энергию, которая при этом освобождается, в форму, доступную для использования другими структурами клетки. За ними закрепилось образное название «энергетические станции клетки».
Митохондрии, в отличие от других органелл, обладают собственной генетической системой, необходимой для самовоспроизведения и синтеза белков. Они имеют свои ДНК, РНК и рибосомы, отличающиеся от таковых в ядре и в других отделах цитоплазмы клетки. Митохондрии способны размножаться в клетке путем бинарного деления. Таким образом, они являются самовоспроизводящимися органеллами. Вместе с тем часть белков кодируется ядерными генами и поступает в митохондрии из гиалоплазмы, поэтому митохондрии в отношении самовоспроизведения называют полуавтономными структурами.
При световой микроскопии митохондрии выглядят как округлые, удлиненные или палочковидные структуры длиной 0,3-5 мкм и шири- ной 0,2-1 мкм. Каждая митохондрия образована двумя мембранами — внешней и внутренней (рис. 4). Между этими мембранами расположено межмембранное пространство шириной 10-20 нм. Внешняя мембрана ровная, внутренняя образует многочисленные складки — кристы. Благодаря кристам площадь внутренней мембраны существенно увеличивается. Так, поверхность одной митохондрии гепатоцита составляет около 13 мкм2, а площадь ее крист — около 16 мкм2 (Krstic R., 1976). На внутренней (обращенной к матриксу) поверхности крист лежит множество электронноплотных субмитохондриальных элементарных частиц
Рис. 4. Митохондрия: I — общая схема строения: 1 — наружная мембрана; 2 — внутренняя мембрана; 3 — кристы; 4 — матрикс; II — схема строения кристы: 5 — грибовидные тельца (АТР-синтетаза); 6 — складка внутренней мембраны (по Албертсу и соавт. и по
де Дюву, с изменениями)
(до 4000 на 1 мкм2 мембраны), имеющих форму гриба. Эти частицы содержат фермент АТР-синтетазу, осуществляющую синтез и гидролиз АТР.
Пространство, ограниченное внутренней мембраной, заполнено коллоидным митохондриальным матриксом. Он имеет мелкозернистую структуру и содержит множество различных ферментов. В матриксе также заключен собственный генетический аппарат митохондрий. Митохондрии обладают также РНК и рибосомами (размерами около 15 нм), которые также находятся в матриксе. Кристы могут иметь вид складок, гребней. Иногда кристы имеют вид трубочек диаметром 20-60 нм. Это наблюдается в клетках, которые синтезируют стероиды, например в клетках яичек. Встречаются кристы в виде призм, например в астроцитах головного мозга. У человека наиболее распространены митохондрии с кристами. Обычно кристы ориентированы поперек длинной оси митохондрий, но могут иметь и продольную ориентацию. Кристы, как правило, не достигают противоположной стороны митохондриальной мембраны. Благодаря указанным складкам площадь внутренней мембраны резко возрастает.
Число, размеры и расположение митохондрий зависят от функции клетки, в частности от ее потребности в энергии и от места, где энергия
расходуется. Так, в одной печеночной клетке число митохондрий достигает 2500. Множество крупных митохондрий содержится в кардиомиоцитах и миосимпластах мышечных волокон. В спермиях богатые кристами митохондрии окружают аксонему промежуточной части жгутика.
Эндоплазматическая сеть представляет собой единую непрерывную структуру, ограниченную мембраной толщиной около 10 нм, образующей инвагинации и складки. На электронно-микроскопических фотографиях эндоплазматическая сеть выглядит как множество трубочек, плоских или округлых цистерн, мембранных пузырьков, имеющих сообщение с перинуклеарным пространством клетки (см. рис. 1). На мембранах эндоплазматической сети совершается многообразный первичный синтез веществ, необходимых для жизнедеятельности клетки. Их можно условно назвать первичными, потому что молекулы этих веществ будут подвергаться дальнейшим химическим превращениям в других структурах.
Большинство веществ синтезируется на наружной поверхности мембран эндоплазматической сети. Затем эти вещества переносятся через мембрану внутрь этой сети и там транспортируются к местам дальнейших биохимических превращений. Различают два типа эндоплазматической сети: зернистую (гранулярную, шероховатую) и незернистую (гладкую, агранулярную).
Мембраны зернистой (гранулярной) эндоплазматической сети покрыты рибосомами, поэтому при световой микроскопии зернистая эндоплазматическая сеть выглядит в виде базофильного вещества, дающего положительную окраску на РНК. На структурах зернистой эндоплазма- тической сети синтезируются интегральные мембранные белковые молекулы, которые транспортируются в другие участки клетки.
Поверхность незернистой (гладкой) эндоплазматической сети не имеет рибосом. Сама сеть представляет собой множество мелких трубочек диаметром около 50 нм каждая. Между трубочками часто расположены гранулы гликогена. На мембранах незернистой эндоплазматической сети синтезируются углеводы и липиды, среди них — гликоген и холестерин, она участвует и в синтезе стероидных гормонов (в клетках Лейдига, в корковых эндокриноцитах надпочечника). Незернистая эндоплазматическая сеть участвует также в выделении ионов хлора в париетальных клетках эпителия желез желудка. Как депо ионов кальция гладкая эндоплазматическая сеть участвует в сокращении кардиомиоцитов и волокон скелетной мышечной ткани. Чрезвычайно важна ее роль в детоксикации гепатоцитами веществ, которые поступают от кишки по воротной вене в печеночные капилляры.
По просветам структур эндоплазматической сети синтезированные вещества транспортируются к комплексу Гольджи. Одной из важнейших функций эндоплазматической сети является синтез белков и липидов для всех клеточных органелл.
Внутренний сетчатый аппарат (комплекс Гольджи) представляет собой совокупность цистерн, пузырьков, пластинок, трубочек, мешочков которые при световой микроскопии имеют вид сеточки. Чаще всего в комплексе Гольджи выявляются 3 мембранных элемента: уплощенные мешочки (цистерны), которые связаны между собой каналами, пузырьки и вакуоли. Концы цистерн расширены. От них отщепляются пузырьки и вакуоли, окруженные мембраной и содержащие различные вещества. Мембранные пузырьки имеет диаметр 50-65 нм. Более крупные секреторные гранулы имеют диаметр от 66 до 100 нм. Часть вакуолей содержит гидролитические ферменты, это предшественники лизосом.
Наиболее широкие уплощенные цистерны обращены в сторону эндоплазматической сети. В цистернах продолжается синтез полисахаридов, образуются комплексы белков, углеводов и липидов. По мере мо- дификации вещества переходят из одних цистерн в другие. На боковых поверхностях цистерн образуются выросты, куда перемещаются вещества. Выросты отщепляются в виде пузырьков, которые удаляются от комплекса Гольджи в различных направлениях по гиалоплазме.
Пузырьки, отщепляющиеся от комплекса Гольджи, направляются к поверхности клетки и выводят синтезированные вещества в межклеточный матрикс.
Ту сторону комплекса Гольджи, куда поступают вещества от эндоплазматической сети, называют цис-полюсом, противоположную — трансполюсом. Таким образом, комплекс Гольджи структурно и биохимически поляризован. По направлению от цис-поверхности к транс-поверхности увеличивается толщина мембран (от 6 до 8 нм), а также содержание в них холестерина и углеводных компонентов в мембранных гликопротеинах.
В процессе упаковки веществ в пузырьки расходуется значительное количество материала мембран, поэтому сборка мембран — еще одна функция комплекса Гольджи. Эта сборка совершается из веществ, поступающих, как обычно, от эндоплазматической сети. Секреторный путь и обновление мембран представлены на рис. 5.
Положение комплекса Гольджи в клетке обусловлено ее функциональной специализацией. В секретирующих клетках он находится между ядром и поверхностью выведения структур из клетки. Так, в бокаловидных слизистых клетках ядро смещено к базальному концу, а комплекс
Рис. 5. Схема секреторного пути и обновления мембран: 1 — область, где происходит синтез белков, предназначенных для экспорта из клетки; 2 — область, где происходит синтез белков, предназначенных для обновления мембран; 3 — область, где происходит гликозилирование (1 + 2+3 — зернистая эндоплазматическая сеть); 4 — транспортные пузырьки, где происходит образование дисульфидных мостиков; 5 — комплекс Гольджи, где происходят добавление липидов, сульфатирование, удаление боковых цепей, терминальное гликозилирование; 6 — просекреторная гранула, где происходит протеолитическая доработка; 7 — секреторная гранула, где происходит концентрация секрета; 8 — цитолемма; 9 — экзоцитоз;10 — встраивание в мембрану; 11 — сборка элементов мембраны (по К. де Дюву, с изменениями)
Гольджи находится между ним и апикальной поверхностью. В клетках эндокринных желез, из которых секрет выводится в кровеносные капилляры, комплекс Гольджи представлен многими поверхностно лежащими структурами. В гепатоцитах (клетках паренхимы печени) структуры комплекса Гольджи располагаются группами: одни около желчных путей, другие — около сосудистых. В цитоплазме клеток (при световой микроскопии) комплекс занимает светлую зону около ядра, он окружен гранулярной эндоплазматической сетью и на ее базофильном фоне выглядит как «светлый дворик». Во всех случаях вблизи комплекса Гольджи концентрируются митохондрии. Это связано с происходящими в нем энергозависимыми реакциями.
Лизосомы, которые непосредственно отделяются от комплекса Гольд- жи, называют первичными. Каждая лизосома представляет собой мембранный пузырек диаметром 0,4-0,5 мкм, в котором содержится около 50 видов различных гидролитических ферментов в неактивированном состоянии (протеазы, липазы, фосфолипазы, нуклеазы, гликозидазы, фосфатазы, в том числе кислая фосфатаза). Молекулы этих ферментов, как всегда, синтезируются на рибосомах зернистой эндоплазматической сети, откуда переносятся транспортными пузырьками в комплекс Гольджи.
Все лизосомы клетки формируют лизосомное пространство, в котором с помощью протонного насоса постоянно поддерживается кислая среда — рН колеблется в пределах от 3,5 до 5,0. Мембраны лизосом устойчивы к заключенным в них ферментам и предохраняют цитоплазму от их действия. Это связано с особым расположением молекул лизосомной мембраны. Повреждение или нарушение проницаемости лизосомной мембраны приводит к активации ферментов и тяжелым повреждениям клетки вплоть до ее гибели.
Функция лизосом — внутриклеточный лизис («переваривание») высокомолекулярных соединений и частиц. Это могут быть собственные органеллы и включения или частицы, поступившие в клетку извне в ходе эндоцитоза. Захваченные частицы обычно окружены мембраной. Такие лизосомы называют фагосомами.
Процесс внутриклеточного лизиса (переваривания) осуществляется в несколько этапов. Сначала первичная лизосома сливается с фагосомой. Их комплекс называют вторичной лизосомой (фаголизосомой). Во вторичной лизосоме ферменты активируются и расщепляют поступившие в клетку полимеры до мономеров. Продукты расщепления транспортируются через лизосомную мембрану в цитозоль. Непереваренные вещества остаются в лизосоме и могут сохраняться в клетке, окруженные мембраной, очень долго в виде остаточного тельца. Остаточные тельца относят
уже не к органеллам, а к включениям. Возможен и другой путь превращений: вещества в фагосоме расщепляются полностью, после чего мембрана фагосомы распадается.
В процессе жизнедеятельности клетки на разных иерархических уровнях ее организации, начиная от молекул и кончая органеллами, постоянно происходит перестройка структур. Вблизи поврежденных или требующих замены участков цитоплазмы, обычно по соседству с комплексом Гольджи, образуется полулунная двойная мембрана, которая растет, окружая со всех сторон поврежденные зоны. Затем эта структура сливается с лизосомами. В такой аутофагосоме (аутосоме) совершается лизис структур органеллы.
Вторичные лизосомы могут сливаться между собой, а также с другими первичными лизосомами. При этом иногда образуются своеобразные вторичные лизосомы — мультивезикулярные тельца.
В некоторых случаях непереваренные остатки накапливаются в лизосомах, что приводит к их перегрузке («хронический запор»). Выделение непереваренных остатков путем экзоцитоза и их накопление во внеклеточной среде могут вызвать повреждение внеклеточных структур.
Пероксисомы представляют собой мембранные пузырьки диаметром от 0,2 до 0,5 мкм. Как и лизосомы, они отщепляются от цистерн трансполюса комплекса Гольджи. Различают две формы пероксисом. Мелкие пероксисомы (диаметром 0,15-0,25 мкм) имеются практически во всех клетках, они содержат мелкозернистый осмиофильный материал и морфологически мало отличаются от первичных лизосом. Крупные пероксисомы (диаметром более 0,25 мкм) присутствуют лишь в некоторых тканях (печень, почки). В них имеется кристалловидная сердцевина, в которой находятся ферменты в концентрированном виде. Наряду с пероксисомами встречаются и другие мембранные микротельца диаметром от 0,5 до 10 мкм, содержащие различные ферменты.
Пероксисомы содержат ферменты (пероксидазу, каталазу и оксидазу D-аминокислот). Пероксидаза участвует в обмене перекисных соединений, в частности перекиси водорода, которая токсична для клетки. Для биохимических реакций в пероксисомах используется молекулярный кислород. Пероксисомы принимают также участие в нейтрализации многих других токсичных соединений, например этанола. Пероксисомы участвуют также в обмене липидов, холестерина и пуринов.
Немембранные органеллы. К немембранным органеллам относятся цитоскелет, клеточный центр и рибосомы.
Цитоскелет (клеточный скелет) включает микротрубочки, микрофиламенты и промежуточные филаменты. Микротрубочки (см. рис. 1) расположены
в цитоплазме клетки. Они представляют собой полый цилиндр диаметром 20-30 нм. Стенка микротрубочки имеет толщину 6-8 нм. Многие микротрубочки расположены радиально по отношению к центриолям. Микро- трубочки прочны и образуют опорные структуры цитоскелета. Часть микротрубочек располагается в соответствии с силами сжатия и натяжения, которые испытывает клетка. Особенно хорошо это заметно в клетках эпителиальных тканей, которые разграничивают разные среды организма. Микротрубочки участвуют в транспорте веществ внутри клетки. Структура стенок микротрубочек может меняться при различных воздействиях на клетки. В подобных случаях может нарушаться внутриклеточный транспорт.
Микрофиламенты — это белковые нити толщиной около 4 нм. Большинство микрофиламентов образовано молекулами актинов, которых около 10 видов. Кроме того, актиновые филаменты могут группироваться в пучки, образующие собственно опорные структуры цитоскелета. Филаменты актина способны образовывать комплексы с полимерными молекулами белка миозина. Микрофиламенты, будучи соединенными с цитолеммой, способны менять ее конфигурацию. Это важно для поступления веществ в клетку посредством пиноцитоза и фагоцитоза. Проме- жуточные филаменты образованы длинными белковыми молекулами. Толщина таких филаментов 8-10 нм. Они тоньше микротрубочек, но толще микрофиламентов, за что и получили свое название.
Клеточный центр (рис. 6) образован двумя центриолями (диплосома) и центросферой. Обе центриоли диплосомы расположены под углом друг к другу. Основная функция клеточного центра — сборка микротрубочек. Каждая центриоль представляет собой цилиндр, стенки которого, в свою очередь, состоят из 9 комплексов микротрубочек длиной около 0,5 мкм и диаметром около 0,25 мкм. Каждый комплекс состоит из трех микротрубочек и поэтому называется триплетом. Триплеты, расположенные по отношению друг к другу под углом около 50?, состоят из трех микротрубочек (изнутри кнаружи): полной А и неполных В и С диаметром около 20 нм каждая. От трубочки А отходят две ручки. Одна из них направлена к трубочке С соседнего триплета, другая — к центру цилиндра, где внутренние ручки образуют фигуру звезды или спиц колеса. Центриоли являются саморегулирующимися структурами, которые при делении клетки удваиваются и расходятся к противоположным полюсам клетки. Центриоли участвуют в образовании базальных телец, ресничек, жгутиков и митотического веретена.
Рибосомы — тельца размерами 20-30 нм, состоят из двух субъединиц — большой и малой. Каждая субъединица представляет собой комплекс рибосомной РНК (рРНК) с белками. Основная функция рибосом — сборка
Рис. 6. Клеточный центр и другие структуры цитоплазмы: 1 — центросфера; 2 — центриоль на поперечном срезе (триплеты микротрубочек, радиальные спицы, центральная структура «колеса телеги»); 3 — центриоль (продольный разрез); 4 — сателлиты; 5 — окаймленные пузырьки; 6 — зернистая эндоплазматическая сеть; 7 — митохондрия; 8 — внутренний сетчатый аппарат (комплекс Гольджи); 9 — микротрубочки (по Р. Крстичу, с изменениями)
белковых молекул из аминокислот, доставляемых к ним транспортными РНК (тРНК). Между субъединицами рибосомы имеется щель, в которой проходит молекула информационной РНК (иРНК), а на большой субъединице — бороздка, в которой располагается и по которой сползает формирующаяся белковая цепь. Сборка аминокислот производится в соответствии с чередованием нуклеотидов в цепи иРНК. Таким способом осуществляется трансляция генетической информации.
Рибосомы могут находиться в гиалоплазме по одиночке либо группами в виде розеток, спиралей, завитков. Такие группы называют поли- рибосомами (полисомами). Значительная часть рибосом прикреплена к мембранам: к поверхности эндоплазматической сети и к наружной мембране кариотеки. Свободные рибосомы синтезируют белок, необходимый для жизнедеятельности самой клетки, прикрепленные — белок, подлежащий выведению из клетки. Число рибосом в клетке может достигать десятков миллионов.
Среди специальных органелл следует рассматривать также мерцательные реснички и жгутики как наиболее распространенные. Описание остальных специальных органелл дано в соответствующих в разделах курсов эмбриологии, общей и частной гистологии.
Ресничка представляет собой вырост клетки, окруженный цитолем- мой (рис. 7). У основания реснички на уровне кортикального слоя цитоплазмы находится базальное тельце (кинетосома), которое образовано 9 периферическими триплетами коротких микротрубочек, окружающих один центральный триплет. Над базальным тельцем в названный цитоплазматический вырост направляется осевая нить (осевой филамент, аксонема), тоже образованная микротрубочками. Сразу над базальным тельцем микротрубочки аксонемы тоже образуют 9 периферических триплетов. На поперечном сечении реснички ее возвышающаяся часть напоминает колесо с 9 спицами, в центре которого лежит нечетко контурирующаяся центральная капсула, окружающая две центральные одиночные микротрубочки, с которыми она связана белковыми отростками.
Все реснички клетки совершают координированные колебательные движения. Число ресничек достигает нескольких сотен. Так, до 250 ресничек длиной 5-15 мкм и диаметром 0,15-0,25 мкм покрывают апикальную поверхность реснитчатых эпителиоцитов верхних дыхательных путей, маточных труб, семенных канальцев.
Жгутики также выполняют функцию движения. Это достигается посредством скольжения дуплетов микротрубочек относительно друг друга. Оно обусловлено изменениями конфигурации молекул белка динеина.
Включения представляют собой скопления веществ в клетке, обра- зующиеся как продукты ее метаболизма или попавшие в клетку извне. Среди включений довольно условно различают трофические, пигментные и секреторные. К трофическим включениям относят капли жира, гранулы гликогена, белковые гранулы. Эти вещества накапливаются в клетке, а затем расходуются ею при соответствующих функциональных потребностях. Пигментные включения могут лежать свободно, но могут быть окружены мембраной.
Рис. 7. Ресничка:
А — ресничка на продольно-поперечном разрезе: I — внутриклеточная часть; II — внеклеточная часть; 1 — базальный корешок; 2 — базальное тельце; 3 — наружные микротрубочки; 4 — микроворсинки; 5 — центральная капсула; 6 — центральный дуплет; 7 — периферические дуплеты; 8 — реснички; 9 — цитолемма; Б — поперечный срез через внеклеточную часть: 10 — периферические дуплеты; 11 — центральный дуплет; 12 — центральная капсула; 13 — спицы; 14 — субфибрилла а; 15 — субфибрилла б; 16 — динеин; В — поперечный срез через промежуточную область, соединяющую аксонему с базальным тельцем: 17 — триплеты микротрубочек; Г — срез через базальное тельце: 17 — триплеты; 18 — центральный цилиндр