Включення

Це непостійні структурні компоненти клітини. Вони виникають і зникають в залежності від функціонального та метаболічного стану клітини, є продуктами її життєдіяльності і відображають функціональний стан клітини в момент дослідження. Включення підрозділяють на кілька груп: трофічні, секреторні, экскреторные, пігментні та ін.

Класифікація включень

Трофічні включення

– запас поживних речовин клітини. Розрізняють вуглеводні, жирові і білкові включення. Наприклад, грудочки глікогену та краплі жиру в клітинах печінки – запас вуглеводів і ліпідів, який утворюється в організмі після їжі і зникає при голодуванні. Жовткові включення (липопротеидные гранули) в яйцеклітині – запас поживних речовин, необхідний для розвитку зародка в перші дні його виникнення.

Секреторні включення

– гранули і краплі речовин, синтезованих у клітині для потреб організму (наприклад, травні ферменти для шлункового і кишкового соку), які накопичуються в вакуолях комплексу Гольджи апікальної частини клітини і виводяться з клітини шляхом екзоцитозу.

Экскреторные включення

– гранули і краплі речовин, шкідливих для організму, які виводяться клітинами в зовнішнє середовище з сечею і калом. Наприклад, экскреторные включення в клітинах канальців нирок.

Пігментні включення

– гранули або краплі речовин, що додають клітині колір. Наприклад, брилки білка меланіну, що має коричневий колір в меланоцитах шкіри, або гемоглобін в еритроцитах.

Крім структур цитоплазми, які можна чітко віднести до органел або включенням, в ній постійно є величезна кількість різноманітних транспортних бульбашок, що забезпечують перенесення речовин між різними компонентами клітини.

Гиалоплазма – істинний розчин біополімерів заповнює клітку, в якому у зваженому стані (як в суспензії) знаходяться органели і включення, а також ядро клітини. До биополимерам гиалоплазмы відносяться білки, жири, вуглеводи, нуклеїнові кислоти, а також їх складні комплекси, які розчинені у воді, багатої мінеральними солями і простими органічними сполуками. Крім того, в гиалоплазме знаходиться цитоматрикс – мережа білкових волокон завтовшки 2-3 нм. Через гиалоплазму різні структурні компоненти клітини взаємодіють між собою, відбувається обмін речовин і енергії. Гиалоплазма може переходити з рідкого (золь) у желеподібне (гель) стан. При цьому знижується швидкість руху в гиалоплазме потоків речовин і енергії, рух органоїдів, включень і ядра, а значить пригнічується і функціональна активність клітини.

Реакція клітин на зовнішній вплив.

Описана морфологія клітин не є стабільною (постійної). При впливі на організм різних несприятливих факторів у будові різних структур виявляються різні зміни. В залежності від факторів впливу зміни клітинних структур виявляються неоднаково в клітинах різних органів і тканин. При цьому зміни клітинних структур можуть бути адаптивними (пристосувальними) і оборотними, або жедезадаптивными, необоротними (патологічними). Однак визначити чітку межу між адаптивними і дезадаптивными змінами не завжди можливо, так як пристосувальні зміни можуть перейти в патологічні. Оскільки об’єктом вивчення гістології є клітини, тканини і органи здорового організму людини, то тут будуть розглянуті насамперед адаптивні зміни клітинних структур. Зміни відзначаються як у будові ядра, так і цитоплазми.

Зміни в ядрі— набухання ядра і зсув його на периферію клітини, розширення перинуклеарного простору, освіта інвагінації кариолеммы (впячивание всередину ядра його оболонки), конденсація хроматину. Кпатологическим змін ядра відносять:

  • пікноз — зморщування ядра і коагуляція (ущільнення) хроматину;

  • кариорексис — розпад ядра на фрагменти;

  • кариолизис — розчинення ядра.

Зміни в цитоплазмі— ущільнення, а потім набухання мітохондрій, дегрануляцію зернистої ендоплазматичної мережі (злущування рибосом), а потім і фрагментація канальців на окремі вакуолі, розширення цистерн, а потім розпад на вакуолі пластинчастого комплексу Гольджи, набухання лізосом і активація їх гідролаз, збільшення числа аутофагосом, у процесі мітозу — розпад веретена поділу і розвиток патологічних мітозів.

Зміни цитоплазмымогут бути обумовлені структурними змінами плазмолеми, що призводить до посилення її проникності і гідратації гиалоплазмы, порушенням обміну речовин, що супроводжується зниженням вмісту АТФ, зниженням розщеплення або збільшенням синтезу включень (глікогену, ліпідів) та їх надмірному накопиченні.

Після усунення несприятливих впливів на організм реактивні(адаптивні) зміни структур зникають і морфологія клітини відновлюється. При развитиипатологических(дезадаптивних) змін навіть після усунення несприятливих впливів структурні зміни наростають і клітина гине.

Регенерація.

Регенерація (відновлення) — здатність живих організмів згодом відновлювати пошкоджені тканини, а іноді й цілі втрачені органи.

Види смерті клітин.

Розрізняють два види клітинної загибелі: насильницька смерть від пошкодження – некроз і запрограмована клітинна смерть – апоптоз.

Некроз

– це посмертні зміни клітини незворотного характеру, які полягають у поступовому ферментативному руйнуванні і денатурації білків. Він розвивається при надмірній альтерації клітини, не вимагає витрат енергії і не залежить від керуючих сигналів місцевого і центрального походження («анархічних шлях загибелі»). Внаслідок синтезу пошкодженої кліткою БАВ (простагландини) і порушення цілісності мембран (вихід різних ферментів), некроз представляє певну загрозу оточуючим структурам – це часто сприяє розвитку запального процесу.

Насильницька загибель клітини обумовлена:

  • позбавленням її живлення і кисню;

  • необоротними змінами структури і функції з пригніченням найважливіших метаболічних процесів різними патогенними агентами.

Некрозу передує глибока, частково необоротна стадія пошкодження клітини – некробіоз (рис. 1). Незважаючи на різноманітність етіологічних факторів, що провокують в кінцевому рахунку розвиток некробіозу і некрозу, молекулярно-клітинні зміни, які виявляються при загибелі клітини в більшості випадків однакові (Зайчик А. Ш., Чурилов Л. П., 1999). Згідно з їх думку, важливо розрізняти гипоксический і вільно-радикальний некробіоз. Механізми вільно-радикального ушкодження клітини (див. вище) можуть запускатися без первинної гіпоксії, а іноді навіть в умовах її надлишку. Гипоксический некробіоз (див. розділ «Гіпоксія») ініціюється різними патогенними чинниками, що викликають тривалу гіпоксію. Обидва види некробіозу можуть комбінуватися і взаємно доповнювати один одного. Результатом обох видів некробіозу є такі пошкодження клітини, при яких вона вже нездатна до самостійного енергозабезпечення (т. незворотності, рис. 1) і піддається некрозу.

Деякі дослідники іноді розглядають некробіоз, як процес власної загибелі клітини. За Давыдовскому В. В., некробіоз – це процес відмирання клітин. Некроз, більшою мірою морфологічна характеристика, що спостерігається після загибелі клітини, а не механізм самої загибелі.

Розрізняють два основні різновиди некрозу:

  • коагуляційний (сухий) некроз. При ньому в клітці розвивається значний ацидоз, йде коагуляція білків і відзначається підвищене накопичення кальцію з агрегацією елементів цитоскелету. Дуже часто спостерігається при тяжкій гіпоксії, наприклад, в кардиомиоцитах при інфаркті міокарда. Даний некроз переважно розвивається в тканинах, багатих білком і кальцієм і характеризується ранніми і глибокими ураженнями мітохондрій;

  • колликвационный некроз. Для нього типово переважання гідролітичних процесів лизосомального аутолізу або гетеролизиса за участю фагоцитів. Осередок некрозу размягчен, спостерігається накопичення активних гідроксильних радикалів і ендогенне омилення клітин, що призводить до руйнування її структур, наприклад різних мембран.

Між коагуляційний і колликвационным некрозоми чітких меж немає. Можливо, це пояснюється тим, що механізми їх розвитку багато в чому загальні. Ряд дослідників виділяють і так званий сирний (сирнистий) некроз (при туберкульозі), вважаючи при цьому, що він являє собою комбінацію двох попередніх типів.

Апоптоз.

Апоптоз – це програмована клітинна смерть (инициирующаяся під дією поза – або внутрішньоклітинних факторів) в розвитку якої активну роль приймають спеціальні та генетично запрограмовані внутрішньоклітинні механізми. Він, на відміну від некрозу активний процес, що вимагає певних енерговитрат. Спочатку намагалися розмежувати поняття «програмована клітинна загибель» і «апоптоз»: до першого терміну відносили усунення клітин в ембріогенезі, а до другого – програмовану смерть тільки зрілих диференційованих клітин. В даний час з’ясувалося, що ніякої доцільності в цьому немає (механізми розвитку клітинної загибелі однакові) і два поняття перетворилися на синоніми, хоча це об’єднання і не безперечно.

Перш ніж приступити до викладу матеріалу про роль апоптозу для життєдіяльності клітини (і організму) в нормі та патології, ми розглянемо механізм апоптозу. Їх реалізацію можна представити у вигляді поетапного розвитку наступних стадій:

1 стадіястадія ініціації (індукції).

Залежно від походження сигналу, що стимулює апоптоз, розрізняють:

  • внутрішньоклітинні стимули апоптозу. Серед них найбільш відомим відносять різні види опромінення, надлишок Н+, оксид азоту, вільні радикали кисню і ліпідів, гіпертермія та ін Всі вони можуть викликати різні пошкодження хромосом (розриви ДНК, порушення її конформації ін) і внутрішньоклітинних мембран (особливо мітохондрій). Тобто в даному випадку підставою для апоптозу служить «незадовільний стан самої клітини» (Мушкамбиров Н.П., Кузнєцов С. Л., 2003). Причому, пошкодження структур клітин має бути досить сильним, але не руйнівною. У клітини повинні зберегтися енергетичні та матеріальні ресурси для активації генів апоптозу і його ефекторних механізмів. Внутрішньоклітинний шлях стимуляції програмованої смерті клітини можна позначити як «апоптоз зсередини»;

  • трансмембранні стимули апоптозу, тобто, в цьому випадку він активується зовнішньої «сигналізацією», яка передається через мембранні або (рідше) внутрішньоклітинні рецептори. Клітина може бути цілком життєздатною, але, з позиції цілісного організму або «помилковою» стимуляції апоптозу, вона повинна загинути. Цей варіант апоптозу отримав назву «апоптоз по команді».

Трансмембранні стимули поділяються на:

  • «негативні» сигнали. Для нормальної життєдіяльності клітини, регуляції її поділу і розмноження необхідно вплив на неї через рецептори різних БАВ: факторів росту, цитокінів, гормонів. Серед інших ефектів, вони пригнічують механізми клітинної загибелі. І природно, дефіцит або відсутність даних БАВ активує механізми програмованої смерті клітини;

  • «позитивні» сигнали. Сигнальні молекули, такі як ФНОа, глюкокортикоїди, деякі антигени, адгезивні білки та ін., після взаємодії з клітинними рецепторами можуть запускати програму апоптозу.

На клітинних мембранах знаходиться група рецепторів, в завдання яких передача сигналу до розвитку апоптозу є основною, навіть єдиною функцією. Це, наприклад, білки групи DR (death receptos – рецептори смерті»): DR3, DR4, DR5. Найбільш добре вивчений Fas-рецептор, що з’являється на поверхні клітин (гепатоцитах) спонтанно або під впливом активації (зрілі лімфоцити). Fas-рецептор при взаємодії з Fas-рецептором (лігандом) Т-кілера запускає програму смерті клітини мішені. Однак, взаємодія Fas-рецептора з Fas-лігандом в областях, ізольованих від імунної системи, закінчується загибеллю самого Т-кілера (див. нижеигандом в областях, ізольованих від імунної системи, закінчується загибеллю самого Т-кілера ()ожно000000000000000000000000000).

Слід пам’ятати, що деякі сигнальні молекули апоптозу, в залежності від ситуації можуть навпаки, блокувати розвиток програмованої смерті клітин. Амбівалентність (подвійність прояв протилежних якостей) характерна для ФНП, ІЛ-2, інтерферону-γ та ін.

На мембранах еритроцитів, тромбоцитів, лейкоцитів, а так само клітин легенів і шкіри виявлені особливі антигени-маркери. На них синтезуються фізіологічні аутоантитіла, і вони, виконуючи роль опсонінов, сприяють фагоцитозу цих клітин, тобто загибель клітин відбувається путемаутофагоцитоза. З’ясувалося, що антигени-маркери з’являються на поверхні «старих» (пройшли свій шлях онтогенетичного розвитку) і пошкоджених клітинах, молоді та неушкоджені клітини їх не мають. Дані антигени отримали назву «антигени-маркери застарілих і пошкоджених клітин» або «білок третьої смуги». Поява білка третьої смуги контролюється геномом клітини. Отже, аутофагоцитоз можна розглядати, як варіант запрограмованої загибелі клітин.

  • Змішані сигнали. Це поєднане вплив сигналів першої і другої групи. Наприклад, апоптоз відбувається з лімфоцитами, активованих митогоном (позитивний сигнал), але не вступили в контакт з АГ (негативний сигнал).

2 стадіястадія програмування (контролю й інтеграції механізмів апоптозу).

Для цієї стадії характерно два діаметрально протилежних процесу, що спостерігаються після ініціації. Відбувається або:

  • реалізація пускового сигналу до апоптозу через активацію його програми (ефекторами є каспази і ендонуклеази);

  • блокується ефект пускового сигналу апоптозу.

Розрізняють два основних, але не виключають один одного, варіанти виконання стадії програмування (рис. 14):

Рис. 14. Каспазный каскад і його мішені

R– мембранний рецептор; К – каспази;AIF– мітохондріальна протеаза; Цит. З – цитохром с;Apaf-1 – цитоплазматичний білок;IAPs– інгібітори каспаз

1. Пряма передача сигналу (прямий шлях активації ефекторних механізмів апоптозу минаючи геном клітини) реалізується через:

  • адапторные білки. Наприклад, так здійснюється запуск апоптозу Т-кілером. Він активує каспазу-8 (адапторный білок). Аналогічно може діяти і ФНП;

  • цитохром С і протеазу ΑIF (мітохондріальна протеаза). Вони виходять з пошкодженої мітохондрії і активують каспазу-9;

  • гранзимы. Т-кілери синтезують білок перфорин, який утворює канали в плазмолемме клітини-мішені. Через ці канали в клітку проникають протеолітичні ферменти гранзимы, що виділяються все тим же Т-кілером і вони запускають каскад каспазной мережі.

2. Опосередкована передача сигналу. Вона реалізується за допомогою геному клітини шляхом:

  • репресії генів, що контролюють синтез білків-інгібіторів апоптозу (генів Bcl-2, Bcl-XL та ін). Білки Bcl-2 у нормальних клітинах входять до складу мембрани мітохондрій і закривають канали по яким з цих органоїдів виходять цитохром С і протеаза AIF;

  • експресії, активації генів, що контролюють синтез білків-активаторів апоптозу (гени Bax, Bad, Bak, Rb, P53 та ін). Вони, в свою чергу активують каспази (к-8, к-9).

На рис. 14 представлена орієнтовна схема каспазного принципу активації каспаз. Видно, що звідки б не запускався каскад, його вузловим моментом є каспаза 3. Вона активується і каспазой 8 і 9. Всього в сімействі каспаз – більше 10 ферментів. Локалізуються у цитоплазмі клітини в неактивному стані (прокаспазы). Положення всіх каспаз в цьому каскаді до кінця не з’ясовано, тому на схемі ряд з них відсутній. Як тільки активуються каспази 3,7,6 (можливо і їх інші типи) настає 3 стадія апоптозу.

3 стадіястадія реалізація програми (виконавча, эффекторная).

Безпосередніми виконавцями («катами» клітини) є вище зазначені каспази і ендонуклеази. Місцем прикладання їх дії (протеолізу) служать (рис. 14):

  • цитоплазматичні білки – білки цитоскелета (фодрин і актин). Гідролізом фодрина пояснюють зміну поверхні клітини – «гофрування» плазмолеми (поява на ній впячиваний і виступів);

  • білки деяких цитоплазматичних регуляторних ферментів: фосфоліпази А2, протеїнкінази С та ін;

  • ядерні білки. Протеоліз ядерних білків займає основне місце в розвитку апоптозу. Руйнуються структурні білки, білки ферментів реплікації і репарації (ДНК-протеїнкінази та ін), регуляторні білки (рRb та ін), білки-інгібіторів эндонуклеаз.

Иннактивация останньої групи – білків інгібіторів эндонуклеаз призводить до активації эндонуклеаз, другого «знаряддя» апоптозу. В даний час ендонуклеази і зокрема, Са2+, Мд2+ -залежна ендонуклеаза, розглядається як центральний фермент програмованої смерті клітини. Вона розщеплює ДНК не у випадкових місцях, а тільки в линкерных ділянках (з’єднувальні ділянки між нуклеосомами). Тому хроматин не лизируется, а тільки фрагментується, що визначає виключну, структурну межу апоптозу.

Внаслідок руйнування білка і хроматину в клітині формуються від неї відбрунькувуються різні фрагменти – апоптозні тільця. В них знаходяться залишки цитоплазми, органел, хроматину та ін.

4 стадіястадія видалення апоптотичних тілець (фрагментів клітини).

На поверхні апоптотичних тілець експресуються ліганди, вони розпізнаються рецепторами фагоцитів. Процес виявлення, поглинання і метаболизирования фрагментів загиблої клітини відбувається порівняно швидко. Це сприяє уникнути попадання змісту загиблої клітини в навколишнє середовище і тим самим, як зазначено вище, запальний процес не розвивається. Клітина йде з життя «спокійно», не турбуючи «сусідів» («тихий суїцид»).

Програмована клітинна загибель має важливе значення для багатьох фізіологічних процесів. З апоптозом пов’язані:

  • підтримання нормальних процесів морфогенезу – запрограмована смерть клітин у процесі ембріогенезу (імплантації, органогенезу) та метаморфоза;

  • підтримання клітинного гомеостазу (в тому числі ліквідація клітин з генетичними порушеннями та інфікованих вірусами). Апоптозом пояснюється фізіологічна інволюція і урівноваження мітозів у зрілих тканинах і органах. Наприклад, загибель клітин в активно проліферуючих і самообновляющихся популяціях – епітеліоцитів кишечнику, зрілих лейкоцитів, еритроцитів. Гормонально залежна інволюція – загибель ендометрію в кінці менструального циклу;

  • селекція різновидів клітин всередині популяції. Наприклад, формування антигенспецифічну складової імунної системи та управління її реалізацією ефекторних механізмів. З допомогою апоптозу відбувається вибракування непотрібних і небезпечних для організму клонів лімфоцитів (аутоагрессивных). Порівняно недавно (Griffith T. S., 1997) показали значення програмованої загибелі клітин в захисті «імунологічно привілейованих» зон (внутрішні середовища ока і насінників). При проходженні гісто-гематических бар’єрів даних зон (що трапляється рідко), ефекторні Т-лімфоцити гинуть (див. вище). Включення механізмів їх смерті забезпечується при взаємодії Fas-ліганда бар’єрних клітин з Fas-рецепторами Т-лімфоцита, тим самим запобігається розвиток аутоагресії.

Роль апоптозу в патології та види різних захворювань, пов’язаних з порушенням апоптозу представлені у вигляді схеми (рис. 15) і таблиці 1.

Звичайно, значення апоптозу в патології менше ніж некрозу (можливо, це пов’язано з недостатністю таких знань). Однак, проблема його в патології і має дещо інший характер: вона оцінюється за ступенем вираженості апоптозу — посилення або ослаблення при тих чи інших хворобах.