Text
                    УДК 616-018(084.121)(075.8)
ББК 28.706я7
Ж89
Рекомендовано ГОУ ВПО «Московская медицинская академия им. И.М. Сеченова»
в качестве учебного пособия для студентов учреждений высшего профессионального образования,
обучающихся по дисциплине «Гистология» по специальностям 060101.65 «Лечебное дело»,
060104.65 «Медико-профилактическое дело», 060105.65 «Стоматология», 060103.65 «Педиатрия».
Жункейра Л.К., Карнейро Ж.
Ж89 Гистология: атлас: учеб, пособие / Л .К. Жункейра, Ж. Карнейро; пер. с англ, под ред. В.Л. Быкова. —
М. : ГЭОТАР-Медиа, 2009. - 576 с.
ISBN 978-5-9704-1352-4
Настоящее учебное пособие является ярким примером воплощения морфофункционального подхода к
изучению современной гистологии: оно насыщено новейшими данными из области биохимии, молекулярной
биологии, физиологии, иммунологии и других дисциплин, неразрывно связанных с описываемыми в нем
структурами. Эти сведения охватывают различные отрасли изучения живого, создавая комплексное пред-
ставление об описываемых объектах.
«Гистология» описывает структуру и функции клеток и их продуктов, основные ткани организма, показы-
вая, как клетки специализировались для выполнения определенных функций. Отдельные главы посвящены
органам и системам органов человеческого тела. В каждой главе содержатся подразделы «Медицинское зна-
чение», которые демонстрируют непосредственную связь между основными гистологическими знаниями и
диагностикой, прогнозированием, патологией и клиническими признаками заболеваний.
Содержится более 600 микрофотографий и наглядных схем строения клеток и органов, что позволяет
лучше усвоить материал.
Книга рассчитана на студентов медицинских, ветеринарных, стоматологических вузов, а также вузов, где
изучают родственные науки, связанные с медициной. Она, кроме того, весьма полезна в качестве справочника
для студентов, которые изучают микроскопическую анатомию, и всех, кто интересуется биологическими
науками, исследующими структуру.
УДК 616-018(084.121)(075.8)
ББК 28.706я7
Данное издание представляет собой перевод с английского оригинального издания «Basic Histology»,
11th edition by Luiz Carlos Junqueira, Jose Carneiro by The McGraw-Hill Companies.
©
©
©
ISBN 978-5-9704-1352-4
2005. The McGraw-Hill Companies. All rights reserved
Быков В.Л., перевод на русский язык, 2008
ООО Издательская группа «ГЭОТАР-Медиа», 2009.
Все права защищены

ОГЛАВЛЕНИЕ .8 10 12 13 14 14 16 17 18 18 20 20 22 24 25 25 29 35 36 37 37 37 38 59 69 70 77 81 83 85 86 .86 91 93 Предисловие к изданию на русском языке... Предисловие.............................. Авторский коллектив...................... Список сокращений........................ Глава 1. Гистология и используемые в ней методы исследования............................. Подготовка тканей к микроскопическому исследованию........................... Световая микроскопия................... Фазово-контрастная и дифференциальная интерференционная микроскопия.......... Поляризационная микроскопия............ Конфокальная микроскопия............... Флюоресцентная микроскопия............. Электронная микроскопия................ Авторадиография срезов тканей.......... Культура клеток и тканей............... Фракционирование клеток................ Гистохимия и цитохимия................. Методы выявления, использующие высокоаффинные взаимодействия между молекулами....................... Трудности в интерпретации при изучении срезов ткани........................... Список литературы...................... Глава 2. Цитоплазма...................... Дифференцировка клеток................. Экология клеток........................ Компоненты клеток...................... Цитоскелет............................. Список литературы...................... Глава 3. Ядро клетки..................... Клеточное деление...................... Клеточный цикл......................... Апоптоз................................ Список литературы...................... Глава 4. Эпителиальная ткань............. Формы и характеристики эпителиальных клеток................... Специализированные структуры клеточной поверхности............................ Типы эпителиев......................... Общая биология эпителиальных тканей...103 Список литературы.......................ИЗ Глава 5. Соединительная ткань............114 Клетки соединительной ткани............114 Волокна................................126 Основное вещество......................137 Типы соединительной ткани..............144 Список литературы......................149 Глава 6. Жировая ткань...................150 Однокапельная жировая ткань............150 Многокапельная жировая ткань...........153 Список литературы......................155 Глава 7. Хрящ............................156 Гиалиновый хрящ........................157 Эластический хрящ..................... 160 Волокнистый хрящ.......................160 Межпозвонковый диск................... 161 Список литературы......................162 Глава 8. Кость...........................163 Клетки кости.......................... 164 Костный матрикс....................... 166 Надкостница и эндост...................167 Типы кости.............................167 Гистогенез............................ 170 Рост и перестройка костей............. 175 Внутренняя структура костей........... 177 Метаболическое значение костной ткани.177 Суставы............................... 179 Список литературы......................182 Глава 9. Нервная ткань и нервная система.184 Гистогенез.............................185 Нейроны................................185 Тело нервной клетки....................187 Дендриты...............................187 Аксоны................................ 188 Мембранные потенциалы..................190 Синаптическая связь....................191 Глиальные клетки и активность нейронов...............................193 Центральная нервная система............198 Мозговые оболочки......................199 5
Оглавление Сосудистое сплетение и спинномозговая жидкость.............................203 Периферическая нервная система.......203 Нервные волокна......................203 Нервы................................205 Нервные узлы.........................206 Автономная нервная система...........208 Дегенерация и регенерация нервной ткани... 213 Пластичность нейронов................214 Список литературы....................215 • Глава 10. Мышечная ткань...............216 Скелетная мышца......................216 Сердечная мышца......................231 Гладкая мышца........................233 Регенерация мышечной ткани...........239 Список литературы....................239 Глава И. Сердечно-сосудистая система...240 Тканевые компоненты сосудистой стенки .... 240 Структурный план кровеносных сосудов.242 Сосуды сосудов ......................243 Иннервация...........................243 Крупные эластические артерии.........243 Дегенеративные изменения артерий.....244 Каротидные тельца....................245 Каротидные синусы....................245 Средние (мышечные) артерии...........246 Артериолы............................247 Артериовенозные анастомозы...........247 Капилляры............................248 Посткапиллярные венулы...............253 Мышечные вены........................253 Сердце...............................255 Система лимфатических сосудов........256 Список литературы....................259 Глава 12. Клетки крови.................260 Состав плазмы........................260 Окрашивание клеток крови.............261 Эритроциты...........................262 Лейкоциты............................264 Нейтрофилы (полиморфно-ядерные лейкоциты).......266 Эозинофилы...........................268 Базофилы.............................269 Лимфоциты............................270 Моноциты.............................272 Тромбоциты...........................273 Список литературы....................275 Глава 13. Кроветворение................276 Стволовые клетки, факторы роста и дифференцировка....................276 Костный мозг.........................279 Костный мозг как источник стволовых клеток для других тканей.............280 Эритропоэз...........................280 Гранулопоэз..........................282 Созревание гранулоцитов..............283 Кинетика образования нейтрофилов.....286 Лимфоцитопоэз и моноцитопоэз.........288 Тромбоцитопоэз.......................289 Список литературы....................293 Глава 14. Лимфоидные органы............294 Антигены.............................294 Антитела.............................295 Цитокины.............................296 Клетки иммунной системы..............297 Типы иммунных реакций................301 Лимфоидная ткань.....................302 Лимфоидная ткань, ассоциированная со слизистыми оболочками, и миндалины.... 305 Тимус................................307 Лимфатические узлы...................312 Селезенка............................315 Список литературы....................323 Глава 15. Пищеварительный тракт........325 Общее строение пищеварительного тракта..............325 Ротовая полость......................326 Язык.................................327 Глотка...............................328 Зубы и связанные с ними структуры....329 Пищевод..............................333 Желудок..............................335 Тонкая кишка.........................343 Толстая кишка........................359 Червеобразный отросток...............361 Список литературы....................363 Глава 16. Органы, связанные с пищеварительным трактом..............364 Слюнные железы.......................364 Поджелудочная железа.................369 Печень...............................371 Желчные пути.........................386 Желчный пузырь.......................386 Список литературы....................388 Глава 17. Дыхательная система..........389 Полость носа.........................390 Околоносовые пазухи..................393 Носоглотка...........................394 Гортань..............................394 Трахея...............................394 Бронхиальное дерево..................394 Кровеносные сосуды легких............408 Лимфатические сосуды легких..........408 Нервы................................409 Плевра...............................409 Дыхательные движения.................409 Защитные механизмы...................410 Список литературы....................410 6
Оглавление 411 412 418 418 419 419 420 423 423 426 427 427 445 447 448 448 448 449 455 457 464 468 473 475 475 Глава 18. Кожа......................... Эпидермис............................ Иммунная активность кожи............. Дерма................................ Подкожная ткань...................... Сосуды и чувствительные нервные окончания.................... Волосы............................... Ногти................................ Железы кожи.......................... Список литературы.................... Глава 19. Мочевыделительная система.... Почки................................ Мочевой пузырь и мочевыводящие пути.. Список литературы.................... Глава 20. Эндокринные железы........... Гормоны ............................. Гипофиз.............................. Аденогипофиз......................... Нейрогипофиз......................... Надпочечники......................... Островки Лангерганса................. Щитовидная железа.................... Околощитовидные железы............... Эпифиз............................... Список литературы.................... Глава 21. Мужская половая система......477 Яички................................477 Интратестикулярные семявыносящие пути...................488 Экстратестикулярные семявыносящие пути...................489 Добавочные половые железы............491 Половой член.........................493 Список литературы....................494 Глава 22. Женская половая система......496 Яичники..............................496 Яйцеводы.............................506 Матка................................507 Влагалище............................514 Эксфолиативная цитология.............514 Наружные половые органы..............515 Молочные железы......................515 Список литературы....................518 Глава 23. Фоторецепторная и аудиорецепторная системы.............519 Зрение: фоторецепторная система......519 Слух: аудиорецепторная система.......534 Список литературы....................541 Примечания редактора...................542 Предметный указатель...................551
ПРЕДИСЛОВИЕ К ИЗДАНИЮ НА РУССКОМ ЯЗЫКЕ На протяжении целых поколений отечественные читатели были лишены возможности детально ознакомиться с лучшими зарубежными учебника- ми и руководствами по гистологии, цитологии и эмбриологии на русском языке и были вынуждены воспринимать соответствующие дисциплины, поль- зуясь лишь очень ограниченным перечнем книг, вы- пущенных в нашей стране, фактически не располагая возможностью выбирать или сравнивать учебники и судить об их качестве. Не секрет, что стандартные отечественные учебники прежних лет по гистоло- гии для медицинских вузов были весьма объемны, написаны трудным языком, перегружены многими не обязательными деталями, мало связаны с клини- ческими вопросами, не всегда удовлетворительно иллюстрированы. В целом, они воспринимались студентами с немалым трудом, что, как правило, относили лишь на счет предмета, который поэтому считали исключительно трудным, неинтересным и сухим. Поэтому неудивительно, что эти учебники, как правило, не вызывали интереса к предмету у студентов и молодых исследователей. По-видимому, одним из первых переводных изданий по предмету стало руководство по эмбрио- логии Б.М. Пэттена, которое дважды выходило в нашей стране. Настоящим прорывом в выпуске гистологической литературы явилось издание в 1980-1981 гг. переведенного на русский язык руко- водства по гистологии А. Хэма и Д. Кормака, которое написано живым и понятным языком и отчетливо демонстрирует связь гистологии с другими меди- цинскими дисциплинами. Поэтому оно приобрело огромную популярность у отечественного читателя и почти сразу же стало библиографической редкостью. Это издание и поныне с теплом вспоминают очень многие врачи, исследователи и преподаватели, в ту пору бывшие студентами, а у некоторых из них оно и до сих пор сохраняется как настольная книга. Ог- ромную пользу читателям принесло и руководство по молекулярной биологии клетки Б. Албертса и соавт., объем которого, однако, существенно выходит за рамки учебной дисциплины в вузе. В последние годы спектр отечественных учебни- ков и учебных пособий по гистологии, безусловно, расширился, особенно по сравнению с предшест- вовавшими десятилетиями, и у студентов наконец появилась некоторая возможность выбора. Между тем отношение к лучшим зарубежным изданиям, по-видимому, в целом осталось неизменным, и зна- комством с ними могли похвастать лишь единицы, которым удавалось прочитать эти книги на языке оригинала. Полезная инициатива издательства «Со- тис», которое в 2001 г. осуществило перевод уникаль- ной книги — «Иллюстрированной энциклопедии по гистологии» Р.В. Крстича, однако, не изменила ситуации с учебной литературой по предмету. В связи с этим следует приветствовать издатель- ство «ГЭОТАР-Медиа», успешно осуществившее проект по переводу на русский язык и выпуску в свет одного из известнейших в мире учебников по гистологии, который пользуется в разных странах исключительной популярностью, — «Гистологии» Л.К. Жункейра и Ж. Карнейро. Выполнен перевод одиннадцатого издания этой книги, выпущенного в 2005 г. на английском языке в США издательством «Мак-Гроу Хилл». Книга пер- воначально увидела свет в Бразилии, где родились и работали ее авторы, и была выпущена на порту- гальском языке с небольшим количеством черно- белых иллюстраций. Ввиду ее высокой ценности в качестве учебника она вскоре была переведена на английский язык и уже в таком виде получила весьма широкое распространение во многих стра- нах мира, в частности в США, где она по популяр- ности потеснила многие американские учебники. По сравнению с более ранними изданиями, настоя- щая книга дополнена данными новейших исследова- ний в области гистологии, цитологии и молекулярной биологии. В настоящем издании авторы улучшили структуру текста, специально выделив раздел о меди- цинском значении излагаемых фактов. Значительно дополнена и расширена иллюстративная база книги, и текст удачно сочетается со множеством (более 600) цветных иллюстраций; в совокупности они состав- ляют целый гистологический атлас, что и отражено в полном наименовании учебного пособия. Книга является ощутимым шагом вперед по срав- нению с большинством «классических» учебников гистологии XX века, в которых подавляющая часть текста представляла собой описание морфологичес- ких особенностей различных структур, а их функции отводилось лишь второстепенное место. Часто такой подход был вынужденным, поскольку функции некоторых тканей, клеток, субклеточных структур оставались во многом неясными. Ситуация коренным образом изменилась в по- следние десятилетия благодаря огромному прогрессу в изучении функциональных аспектов морфологии, который стал возможен с внедрением новейших ме- тодов исследования, в частности иммуногистохимии и молекулярной биологии. Между тем изобилие, разнообразие, а зачастую и разноречивость опуб- ликованных материалов исследований в сочетании с лавинообразным нарастанием объема научной информации делают особенно актуальной и важной задачу тщательно и взвешенно отбирать наиболее 8
Предисловие к изданию на русском языке существенные и достоверные сведения о функцио- нальной морфологии клеток, тканей и органов, прежде чем включить их в учебный курс. Настоящий учебник является ярчайшим приме- ром воплощения морфофункционального подхода к изучению современной гистологии: он насыщен новейшими данными из области биохимии, мо- лекулярной биологии, физиологии, иммуноло- гии и других дисциплин, неразрывно связанных с описываемыми в нем структурами. Эти сведения, которые, вероятно, могут показаться несколько из- быточными приверженцам и последователям «клас- сической» гистологической школы, охватывают различные отрасли изучения живого, создавая ком- плексное представление об описываемых объектах. Благодаря этим данным при освоении морфологии перебрасываются многочисленные «мостики», связывающие гистологию со смежными дисцип- линами. При этом приводимая информация еще раз со всей очевидностью показывает, что морфо- логическое исследование органов, тканей, клеток, несомненно, лежит в основе создания целостных представлений о природе живой материи, занимая в них центральное место, тогда как данные других дисциплин существенно дополняют и расширяют их, но сами по себе не могут правильно воспри- ниматься без основательного знания гистологии, цитологии, микроскопической анатомии. Хотя объем дополнительных сведений из области смежных дисциплин по сравнению с более ранними изданиями значительно расширен, авторы включили в учебник лишь тщательно отобранные и необхо- димые новейшие сведения, которые, как правило, представлены весьма лаконично. Поэтому книга не перегружена информацией, не имеющей непосред- ственного отношения к изложению морфологичес- кого материала. Важной положительной особенностью книги является ее выраженная клиническая направлен- ность. В каждой главе учебника выделены разделы, объясняющие медицинское значение излагаемых морфологических фактов. Эти вставки, неболь- шие по объему, но весьма существенные по свое- му значению, демонстрируют, насколько важны представленные в курсе сведения для понимания причин различных заболеваний, а также для более эффективной диагностики и лечения. В частнос- ти, в них даются сведения о регенерации тканей и органов, кратко описываются причины некоторых генетических заболеваний, указываются источники развития важнейших опухолей и приводится другая полезная информация, которая поможет студентам медицинских вузов создать прочную основу для освоения клинических дисциплин. Поскольку учебник представляет гистологическую школу, существенно отличающуюся от отечествен- ной, и содержание программ по предмету различно, последовательность представления и распределение материала, манера и стиль изложения зачастую заметно отличаются от принятых в аналогичных отечественных изданиях. При переводе книги на русский язык и в ходе редактирования русскоязычного издания особое внимание уделялось, с одной стороны, тому, чтобы максимально точно воспроизвести информацию, представленную авторами, и бережно сохранить их стиль, с другой — была предпринята попытка сде- лать учебник максимально доступным и понятным отечественному читателю. Сохранена присущая оригиналу общая структура текста — его рубрикация; выделены важнейшие тер- мины. Для удобства запоминания в тексте перевода все выделенные авторами термины представлены в именительном падеже. Поскольку гистологическая терминология, используемая авторами, в некоторых случаях существенно отличается от общепринятой отечественной и международной, в процессе пере- вода внесен ряд терминологических дополнений, причем при необходимости они сопровождаются примечаниями переводчика. Для того чтобы учеб- ник мог стать максимально полезным читателям, в русский перевод включены также термины, рекомендуемые новейшей Международной гисто- логической терминологией (2008). В ряде случаев, когда некоторые научные положения, излагаемые авторами, не совпадают с общепринятыми взглядами или новейшими данными, чтобы создать у читателей более полное представление о рассматриваемых вопросах, в конце книги к каждой главе приводятся соответствующие краткие комментарии научного редактора. Эти краткие уточнения и примечания вынесены за пределы авторского текста и не влияют на целостность его восприятия. Благодаря появлению перевода книги Л.К. Жун- кейра и Ж. Карнейро на русский язык, отечественные читатели и, в первую очередь студенты, для которых в основном предназначено это учебное пособие, по- лучили прекрасную возможность ознакомиться с од- ним из важнейших базовых предметов медицинского образования — гистологией, пользуясь современ- ным, интересно написанным, удачно составленным, имеющим клиническую направленность и прекрасно иллюстрированным учебником, признанным во всем мире. Осваивая материал, представленный в этом издании, читатели смогут совершить увлекательное путешествие по безбрежному морю современной науки на корабле, который уверенно ведут к цели опытные капитаны — авторы книги. Д-р мед. наук, проф., акад. РАЕН В.Л. Быков
ПРЕДИСЛОВИЕ Одиннадцатое издание «Гистологии» продолжает оставаться кратким, хорошо иллюстрированным источником важнейших фактов и их интерпретации в области микроскопической анатомии. Авторы на- стоящей книги понимают, что при изучении биоло- гических структур всегда имеется общая цель — луч- ше понять то, каким образом структура и функции воплощены в молекулах, клетках, тканях и органах живого организма. Гистология является отраслью на- учных знаний, в центре которой находится изучение клеток и тканей организма, и как таковая она лежит в основе таких дисциплин, как патология и пато- физиология. В настоящем издании мы продолжали подчеркивать связи и понятия, которые неразрывно объединяют строение клеток и тканей, образующих структуру живого организма, с их функциями. При переработке «Гистологии» мы ставили сво- ей целью представить читателям, насколько это возможно, самую современную и полезную книгу. Мы пытались достичь этого двумя путями: знакомя их с наиболее важными недавними достижениями в области наук, лежащих в основе гистологии, и понимая, что перед нашими читателями стоит за- дача усваивать непрерывно увеличивающееся число фактов в условиях постоянно нарастающего дефи- цита времени. По этой причине мы уделили особое внимание тому, чтобы представить информацию, насколько это возможно, кратко и организовать ее таким образом, чтобы облегчить ее усвоение. Читательская аудитория Настоящая книга рассчитана на студентов профес- сиональных медицинских, ветеринарных, стома- тологических вузов, а также вузов, где изучают родственные науки, связанные со здравоохранением. Она, кроме того, весьма полезна в качестве готового справочного издания для студентов, изучающих микроскопическую анатомию, и всех, кто интере- суется биологическими науками, исследующими структуру. Организация текста Поскольку изучение гистологии требует осно- вательного знания клеточной биологии, «Гистоло- гия» начинается с точного современного описания структуры и функций клеток и их продуктов, а также с краткого введения в молекулярную биологию клет- ки. За этими основами следует описание четырех основных тканей организма, при этом показано, как клетки специализировались на выполнении опреде- ленных функций в этих тканях. Наконец, отдельные главы посвящены органам и системам органов, образующих тело человека. В этих главах делается особый акцент на пространственном расположении основных тканей, что дает ключ к пониманию функ- ций каждого органа. И вновь подчеркивается, что клеточная биология является наиболее обоснован- ным подходом к изучению структуры и функции. Цветные микрофотографии и электронные микро- фотографии облегчают восприятие текста, способс- твуя обучению предмету и напоминая читателю о значении лабораторных работ при изучении гисто- логии. Помимо этого, мы уделяем особое внимание полноцветным схемам, трехмерным изображениям и таблицам, обобщающим морфологические и функциональные особенности клеток, тканей и органов. Особенности настоящего издания • Все главы переработаны, с тем чтобы отражать новые данные и трактовки; а также еще более усилена установка на гистологию человека. • Глава, посвященная микроскопии и методам ис- следования, включает новые сведения о методах, которые обеспечивают анализ молекул, клеток и тканей. • В главу, посвященную ядру, внесены новые данные о молекулярной биологии генома и его регуля- ции. • Глава, описывающая соединительную ткань, до- полнена новой информацией об организации и молекулярном составе межклеточного вещества. • В главу, посвященную клетке, включено обсуж- дение механизмов передачи сигналов в процессе межклеточных взаимодействий, которое допол- няет представления студента об организации тканей. • Глава, описывающая нервную ткань и нервную систему, в значительной мере переписана и до- полнена современными представлениями и све- дениями о нейронах и глиальных клетках, а также их взаимодействиях. • Глава, посвященная иммунной системе, пере- работана заново, при этом в нее включена со- временная информация, а материал представлен таким образом, чтобы максимально облегчить его восприятие. 10
Предисловие • Более 600 иллюстраций, которые содержатся в книге, включают многочисленные цветные микрофотографии, изображающие новые ткане- вые препараты с отчетливыми обозначениями, которые наглядно выделяют представляющие интерес детали на каждом снимке. Эти новые микрофотографии тканей, залитых в пластмассы, дают возможность лучше выявить детали клеточ- ной и тканевой организации. Все имеющиеся схемы преобразованы в полноцвет- ные; для того чтобы повысить информативность текс- та, в него добавлены также новые цветные рисунки. Значком «Важнейшие сведения» в каждой главе выделена наиболее существенная информация. В каждой главе имеются разделы «Медицинское значение», которые демонстрируют непосредствен- ную связь между основными гистологическими знаниями и диагностикой, прогнозированием, патобиологией и клиническими характеристиками заболеваний. Эти разделы также выделены цветом и соответствующим значком. Благодарности Нам хотелось бы поблагодарить следующих про- фессоров, которые ознакомились с некоторыми разделами этой книги и высказали критические замечания: Эдну Т Кимура («Щитовидная железа»), Нэнси Амарал Ребукас («Гибридизация in situ»), Ширли Даффре («Разделение белков»), Изес де Альмейда Абрамсон («Иммунные реакции»), Анто- нио Карлоса Бьянко («Щитовидная железа»), Жозе Сиполла Нето («Эпифиз») и Вольфганга Г.В. Цорна («Кровеносные сосуды»). Мы выражаем нашу при- знательность сотрудникам издательства «Мак-Гроу Хилл»: ДжанетФолтин, ХэрриетЛебовитц, Кариесе Бейкер, Филу Галиа и Питеру Бойлю, а также Арлин Кейт за ее редакторскую работу. Нам приятно также сообщить, что в настоящее время уже имеются переводы «Гистологии» на италь- янский, испанский, голландский, индонезийский, японский, турецкий, корейский, немецкий, сербо- хорватский, французский, португальский, греческий и китайский языки. Луис Карлос Жункейра, доктор медицины, Жозе Карнейро, доктор медицины, январь 2005 г.
АВТОРСКИМ КОЛЛЕКТИВ Луис Карлос Жункейра, доктор медицины, доктор философии, заслуженный профессор, Медицинская щкола университета Сан-Паулу, Сан-Паулу, Бразилия; почетный исследователь в области биологии, Гарвардский университет, Бостон, Массачусетс; ранее - исследователь, Медицинская школа Чикагского университета, Чикаго, Иллинойс Жозе Карнейро, доктор медицины, доктор философии, заслуженный профессор, Институт биомедицинских наук университета Сан-Паулу, Сан-Паулу, Бразилия; ранее — исследователь, кафедра анатомии, Медицинская школа университета Мак-Гилла, Монреаль, Канада; ранее - временный адъюнкт-профессор, кафедра анатомии, Медицинская школа университета Вирджинии, Шарлоттсвиль, Вирджиния СПИСОК СОТРУДНИКОВ, ВНЕСШИХ ВКЛАД В НАПИСАНИЕ КНИГИ Пауло Александр Абрамсон доктор медицины, доктор философии, профессор, кафедра биологии клетки и биологии развития, Институт биомедицинских наук университета Сан-Паулу, Сан-Паулу, Бразилия. Глава 1 — «Гистология и используемые в ней методы исследования»; глава 4 — «Эпителиальная ткань»; глава 14 — «Лимфоидные органы»; глава 20 — «Эндокринные железы»; глава 21 — «Мужская половая система»; глава 22 — «Женская половая система» Маринильсе Фагундес дос Сантос, доктор стоматологии, доктор философии, ассистент, кафедра биологии клетки и биологии развития, Институт биомедицинских наук университета Сан-Паулу, Сан-Паулу, Бразилия. Глава 15 — «Пищеварительный тракт»; глава 16 — «Органы, связанные с пищеварительным трактом» Тельма Мария Тенорио Цорн доктор медицины, доктор философии, профессор, кафедра биологии клетки и биологии развития, Институт биомедицинских наук университета Сан-Паулу, Сан-Паулу, Бразилия. Глава 5 — «Соединительная ткань»; глава 11 — «Сердечно-сосудистая система»
СПИСОК СОКРАЩЕНИИ АДГ АДФ АКТГ АМФ аЭПС БАЛТ ГМФ грЭПС иРНК ИФР КАЛТ ЛГ МГТ рРНК стг тРНК антидиуретический гормон ТРГ — тиротропин-рилизинг-гормон аденозиндифосфат ттг — тиротропный гормон, тиротропин адренокортикотропный гормон ТФР — трансформирующий фактор роста аденозинмонофосфат ФНО — фактор некроза опухолей агранулярная (гладкая) ЭПС ФСГ — фолликулостимулирующий гормон бронхоассоциированная лимфоидная ХГч — хорионический гонадотропин человека ткань (англ. BALT — bronchus-associated цАМФ — циклический аденозинмонофосфат lymphoid tissue) цГМФ — циклический гуанозинмонофосфат гуанозинмонофосфат гранулярная (шероховатая) ЭПС ШИК — Шифф-йодная кислота (англ. PAS — periodic acid-Schiff) информационная РНК ЭПС — эндоплазматическая сеть инсулиноподобный фактор роста кишечно-ассоциированная лимфоид- ная ткань (англ. GALT — gut-associated lymphoid tissue) 1g — иммуноглобулины (аббревиатурой им- муноглобулины обозначены только при указании класса — IgA, IgD, IgE, IgG IgM) лютеинизирующий гормон Международная гистологическая тер- минология MALT — лимфоидная ткань, ассоциированная со слизистыми оболочками (англ. MALT— mucosa-associated lymphoid tissue) рибосомальная РНК соматотропный гормон, соматотропин транспортная РНК МНС — главный комплекс гистосовместимости (от англ. МНС — major histocompatibility complex)
ГЛАВА 1 ГИСТОЛОГИЯ И ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ В НЕЙ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ Гистология (греч. histo — ткань + logos — исследо- вание) — наука, изучающая ткани тела и то, каким образом эти ткани располагаются, образуя органы. Известны четыре основные ткани: эпителиальная ткань, соединительная ткань, мышечная ткань и нервная ткань. Ткани состоят из клеток и межклеточного вещес- тва — двух компонентов, которые раньше считали независимыми друг от друга. Межклеточное вещес- тво образовано разнообразными видами молекул, некоторые из них высокоорганизованы и образуют сложные структуры, такие, как коллагеновые фиб- риллы и базальные мембраны. Главные функции, которые ранее приписывали межклеточному вещес- тву, включали обеспечение механической опоры для клеток, перенос питательных веществ к клеткам и удаление продуктов катаболизма и секреторных ве- ществ. В настоящее время установлено, что, помимо этих функций, компоненты межклеточного вещества влияют на клетки, которые их вырабатывают. Таким образом, происходит активное взаимодействие между клетками и межклеточным веществом (мат- риксом). Более того, многие молекулы матрикса распознаются рецепторами, имеющимися на поверх- ности клеток, и прикрепляются к ним. Большая часть таких рецепторов представляют собой молекулы, пронизывающие клеточные мембраны и связанные с молекулами внутри цитоплазмы. Таким образом, клетки и межклеточное вещество образуют единую систему, в которой они совместно функционируют и реагируют на стимулирующие и угнетающие воз- действия. Каждая из основных тканей образована клетками нескольких видов и, в типичном случае, специфи- ческими ассоциациями клеток и межклеточного ве- щества. Эти характерные ассоциации помогают сту- дентам распознавать многие разновидности тканей. Большинство органов образовано упорядоченными сочетаниями нескольких тканей, за исключением центральной нервной системы, которая образована почти исключительно нервной тканью. Гармоничное сочетание этих тканей обеспечивает функциониро- вание каждого органа и организма в целом. Из-за мелкого размера клеток и компонентов мат- рикса изучение гистологии связано с использовани- ем микроскопов. Углубленное понимание биологии тканей зависит от прогресса в химии, физиологии, иммунологии, патологии и взаимодействия между этими науками. Знакомство с приборами и методами в любой области науки необходимо для правильного понимания ее предмета. В настоящей главе рассмот- рены некоторые из наиболее распространенных ме- тодов, используемых для изучения клеток и тканей, а также принципы, лежащие в основе этих методов. ПОДГОТОВКА ТКАНЕЙ К МИКРОСКОПИЧЕСКОМУ ИССЛЕДОВАНИЮ Наиболее распространенным методом, применяе- мым при исследовании тканей, служит изготовление гистологических срезов, которые можно изучать с помощью светового микроскопа. При использовании светового микроскопа ткани исследуют, просвечивая их лучами света. Поскольку ткани и органы обычно имеют достаточную толщину и не пропускают света, их исследование требует получения тонких, прозрач- ных срезов. Однако живые клетки, очень тонкие слои тканей или прозрачные пленочные препараты живых животных (например, брыжейку, хвост головастика, стенку щечного мешка хомячка) можно наблюдать непосредственно, используя микроскоп без предвари- тельного изготовления срезов. Поэтому такие структу- ры можно исследовать в течение длительного времени в различных физиологических и экспериментальных условиях. В большинстве случаев, однако, для того, чтобы ткани можно было исследовать, получают их тонкие срезы, которые прикрепляют к предметным стеклам. Такие срезы получают с высокой точностью из предварительно подготовленных тканей, используя прецизионные режущие инструменты — микротомы. В идеальном микроскопическом препарате ткань должна сохраняться таким образом, чтобы на срезе она имела те же структуру и молекулярный состав, что и в живом организме. Иногда это возможно, однако практически труднодостижимо, поэтому почти всегда возникают артефакты, искажения и потеря компонен- тов вследствие процесса подготовки тканей. Фиксация Если желательно получение постоянных препаратов, то ткани следует зафиксировать. Чтобы избежать самопереваривания ткани присутствующими внутри клеток фермента- ми (аутолиз) или бактериями и сохранить ее структуру и молекулярный состав, кусочки органов следует быстро и правильно обработать до их удаления из тела животного или как можно быстрее после него. Данное воздействие — фиксация — может выполнять- ся химическими или (реже) физическими методами. При химической фиксации ткани обычно погружают в растворы веществ, известных как фиксаторы, кото- рые обусловливают стабилизацию веществ или фор- 14
Глава 1. Гистология и используемые в ней методы исследования мирование перекрестных сшивок. Поскольку для того, чтобы фиксатор полностью диффундировал в ткани, требуется определенное время, ткани до фиксации обычно разрезают на мелкие кусочки, что облегчает проникновение фиксатора и гарантирует сохранность ткани. Можно использовать внутривенное введение (перфузию) фиксатора. Так как фиксатор в этом слу- чае быстро достигает тканей по кровеносным сосудам, фиксация существенно улучшается. Одним из лучших фиксаторов для стандартной световой микроскопии является забуференный изо- тонический раствор 4% формальдегида. Химическая природа процесса, обусловливающего фиксацию, сложна и не полностью понятна. Установлено, что формальдегид и глютаральдегид — другой широко используемый фиксатор — реагируют с аминог- руппами (NH2) тканевых белков. В случае глюта- ральдегида его фиксирующее действие усиливается вследствие того, что он, как диальдегид, вызывает образование перекрестных сшивок в белках. Ввиду высокого разрешения, которое обеспечивает электронный микроскоп, особое внимание при фик- сации необходимо уделять сохранению ультраструк- турных деталей. С этой целью применяют двойную фиксацию, которая стала стандартной процедурой подготовки тканей к ультраструктурным исследова- ниям. Она основана на использовании забуференного раствора глютаральдегида, за которым следует вторая фиксация в забуференном растворе четырехокиси (тет- роксида) осмия. Действие четырехокиси осмия связано с сохранением и окрашиванием липидов и белков. Заливка Для облегчения резки ткани обычно зали- вают в твердую среду. Чтобы с помощью микротома получить тонкие срезы, ткани после фиксации должны быть пропитаны заливочными веществами, которые придают им твердую консистенцию. В качестве заливочных материалов используют парафин и пластические смолы. Парафин обычно применяют для световой микроскопии, смолы — как для световой, так и для электронной микроскопии. Процессу заливки в парафин, или пропитывания ткани, обычно предшествуют два главных этапа: обезвоживание (дегидратация) и просветление. Перед заливкой из кусочков удаляют воду, сначала поме- щая их последовательно в ступенчатую серию смеси этилового спирта (этанола) и воды (обычно с 70% до 100% этилового спирта). Этанол затем замещают растворителем, который способен смешиваться с за- ливочной средой. При заливке в парафин в качестве такого растворителя обычно используют ксилол. По мере того, как ткани пропитываются растворителем, они обычно становятся прозрачными (просветление). После пропитывания кусочка ткани растворителем его помещают в термостат в расплавленный парафин, как правило, при температуре 58—60°С. Под влияни- ем тепла растворитель испаряется, а пространства в тканях замещаются парафином. После извлечения из термостата ткань вместе с пропитывающим ее парафином затвердевает. Ткани, которые заливают в пластическую смолу, также обезвоживают в этаноле и, в зависимости от типа смолы, далее пропитывают растворителями пластмасс. Этанол или растворители впоследствии замещаются растворами пластиков, которые затвердевают посредством полимеризаторов, образующих перекрестные связи. Заливка в пласти- ческую массу предотвращает сжатие, которое вызыва- ют высокие температуры, необходимые для заливки в парафин, и дает значительно лучшие результаты. Твердые блоки, содержащие ткани, помешаются в микротом (рис. 1-1): в результате резки стальной или стеклянной микротомной бритвой (ножом) получают срезы толщиной 1 — 10 мкм. Следует пом- нить, что 1 микрометр (1 мкм) = 0,001 мм = 10-6 м; 1 нанометр (1 нм) = 0,001 мкм = 10-6 мм = 10-9 м. Далее срезы помещают в воду и переносят на пред- метные стекла для окрашивания. Можно использовать совершенно иной способ подготовки гистологических срезов путем быстрого за- мораживания тканей. В этом случае ткани фиксируют замораживанием (физически, а не химически), причем одновременно они становятся твердыми и поэтому могут подвергаться резке. Замораживающий микро- том — криостат (греч. kryos — холод + states — уста- новка) — разработан для резки замороженных тканей. Колесо привода Держатель блока Парафиновый блок Ткань Стальной нож Рис. 1-1. Микротом для получения срезов тканей, залитых в пластичес- кую массу или парафин, используе- мых в световой микроскопии. Вра- щение колеса привода перемещает держатель тканевого блока вверх и вниз. Каждый оборот привода вы- двигает держатель блока на регули- руемое расстояние (шаг), обычно от 1 до 10 мкм. При каждом шаге тканевой блок проходит над кромкой ножа, который делает срезы. (С любезного разрешения Microm.) 15
Гистология Поскольку этот метод позволяет быстро приготовить окрашенные срезы (в течение нескольких минут), его обычно используют в больницах для исследования образцов тканей во время хирургических операций. Замораживание тканей также дает хороший эффект при проведении гистохимических исследований очень чувствительных ферментов или мелких молекул, так как замораживание не инактивирует большинство фер- ментов. Из-за того, что обработка тканей такими рас- творителями, как ксилол, растворяет тканевые липиды, использование замороженных срезов рекомендуется при необходимости изучения этих соединений. Окрашивание При проведении* микроскопического ис- следования в большинстве случаев исполь- зуют окрашенные срезы. За отдельными исключениями, большинство тканей бес- цветны, отчего их исследование в неокрашенном виде с использованием световой микроскопии не дает результата. Поэтому были разработаны методы окраски тканей, которые не только делают замет- ными различные тканевые компоненты, но и поз- воляют выявить различия между ними. Красители связываются с тканевыми компонентами более или менее избирательно. Большинство этих красителей имеют свойства кислых или основных соединений и обладают тенденцией к формированию элект- ростатических (солевых) связей с ионизируемыми радикалами тканей. Тканевые компоненты, которые активно окрашиваются основными красителями, известны как базофильные (греч. basis — основа + phileo — любить), а те, что обладают сродством к кислым красителям, — как ацидофильные. Примерами основных красителей являются толуи- диновый синий и метиленовый синий. Гематоксилин обладает свойствами основного красителя, то есть он окрашивает базофильные тканевые компоненты. Способность главных тканевых компонентов иони- зироваться и реагировать с основными красителями обусловлена наличием в их составе кислот (нук- леиновых кислот, гликозаминогликанов и кислых гликопротеинов). Кислые красители (например, оранж G, эозин и кислый фуксин) окрашивают ацидофильные компоненты тканей, такие, как ми- тохондрии, секреторные гранулы и коллаген. Из всех красителей наиболее часто используют гематоксилин и эозин в виде комбинации. Гематокси- лин окрашивает в синий цвет ядро клетки и другие содержащие кислоты структуры, такие, как богатые РНК (рибонуклеиновой кислотой) участки цитоплаз- мы и межклеточное вещество (матрикс) гиалинового хряща. Напротив, эозин окрашивает цитоплазму и коллаген в розовый цвет. В различных гистологичес- ких методиках используют и многие другие красители, в частности получили распространение трихромные методы (например, окраска по Маллори, окраска по Массону). Эти трихромные окраски, помимо того, что очень хорошо выявляют ядра и цитоплазму, помогают отдифференцировать коллаген от гладкой мышечной ткани. Хорошей методикой для выявления коллагена является использование пикросириуса, особенно в сочетании с поляризованным светом (см. «Поляри- зационная микроскопия»). Во многих методах (см. «Иммуноцитохимия») на срезах обнаруживаются маркеры в виде окрашен- ных преципитатов, но клетки и границы клеток часто невидимы. В этом случае применяют докрашивание, для которого обычно используют единственный краситель, наносимый на срез для выявления ядра или цитоплазмы. Хотя большинство красителей успешно ис- пользуется для визуализации различных тканевых компонентов, они обычно не дают информации о химической природе исследуемых тканей. Помимо окрашивания тканей с использованием красителей, распространенным методом, особенно при иссле- довании нервной системы, является импрегнация металлами, такими, как серебро и золото. Вся процедура — от фиксации до исследования ткани с использованием светового микроскопа — за- нимает от 12 ч до 2,5 суток, в зависимости от размеров образца ткани, фиксатора и заливочной среды. СВЕТОВАЯ МИКРОСКОПИЯ Обычная световая, фазово-контрастная, дифферен- циальная интерференционная, поляризационная, конфокальная и флюоресцентная микроскопия — все они основаны на взаимодействии света и тканевых компонентов. При использовании светового мик- роскопа окрашенные препараты обычно исследуют с помощью света, проходящего через образец ткани. Микроскоп состоит из механических и оптических частей (рис. 1-2). Оптические компоненты включают три системы линз: конденсор, объектив и окуляр. Кон- денсор собирает и фокусирует свет, образуя световой конус, освещающий исследуемый объект. Объектив состоит из линз, которые увеличивают и проециру- ют освещенное изображение объекта в направлении окуляра. Окуляр далее увеличивает это изображение и проецирует его на сетчатку наблюдателя, фотогра- фическую пластинку или (для получения цифрового изображения) на детектор, такой, как камера прибора с зарядовой связью. Общее увеличение получается путем умножения увеличения объектива и окуляра. Разрешение Критическим фактором в получении четкого детально- го изображения в микроскопе служит его разрешающая способность, то есть наименьшее расстояние между дву- мя частицами, на котором они видны как раздельные объекты. Максимальная разрешающая способность 16
Глава 1. Гистология и используемые в ней методы исследования Окуляр Призма Конденсор Линзы объектива Микроскопи- ческий препарат Столик Осветитель Зеркало 3]— Светофильтр Ручка перемещения столика Ручка настройки фокуса Рис. 1-2. Световой микроскоп (схематический рисунок). Показаны основные компоненты мик- роскопа и ход световых лучей от лампы освещения, расположенной под столиком, в глаз наблюдателя. (С любезного разрешения Carl Zeiss Со.) светового микроскопа составляет примерно 0,2 мкм; она обеспечивает хорошее изображение при увели- чении в 1000—1500 раз. Объекты, мельче чем 0,2 мкм (такие, как мембрана или актиновый филамент), при использовании этого прибора различить невозможно. Аналогичным образом, две структуры, такие, как две митохондрии или две лизосомы, будут выглядеть как одна, если расстояние между ними менее 0,2 мкм. Качество изображения — его отчетливость и детализа- ция — зависит от разрешающей способности микро- скопа. Увеличение имеет ценность только в сочетании с высоким разрешением. Разрешающая способность микроскопа зависит главным образом от качества линзы его объектива. Линза окуляралишьувеличивает изображение, полученное с помощью объектива; она не улучшает разрешение. По этой причине при срав- нении объективов с различным увеличением те из них, которые имеют большее увеличение, обладают также и более высокой разрешающей способностью Высокая чувствительность видеокамер усиливает мощность светового микроскопа и позволяет захва- тывать оцифрованное изображение, которое можно передать в компьютеры для количественного анализа и распечатки изображения. Границы световой микроскопии были опреде- лены заново в связи с применением видеокамер, обладающих высокой чувствительностью к свету. При использовании камер и программ усиления и юбражения объекты, которые могут быть не видны при их рассматривании непосредственно в окуляр, становятся видимыми на экране монитора. Такие видеосистемы полезны также для исследования жи- вых клеток в течение длительных периодов времени, потому что они используют свет низкой интенсив- ности, что позволяет избежать повреждения кле- ток, которое развивается вследствие интенсивного освещения. Электронные изображения, полученные в видео- камерах, можно легко представить в цифровом виде и адаптировать к специфическим требованиям экспе- римента посредством использования компьютерных программ. Например, важным методом, основанным на использовании компьютера, является усиление контраста, благодаря которому исследователь может получить изображение структур, не выявляемых при изучении образца непосредственно под микроско- пом. Компьютерные программы, разработанные для анализа изображения, дают возможность измерений микроскопических структур. ФАЗОВО-КОНТРАСТНАЯ И ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНАЯ ИНТЕРФЕРЕНЦИОННАЯ МИКРОСКОПИЯ Некоторые оптические схемы позволяют изучать неокрашенные клетки и срезы тка- ней. Неокрашенные биологические образцы обычно прозрачны, а их детали — слабо различимы, поскольку все участки образца имеют примерно одинаковую оптическую плотность. Фа- зово-контрастная микроскопия, однако, использует 17
Гистология систему линз, которая дает видимые изображения прозрачных объектов (рис. 1-3). Фазово-контрастная микроскопия основана на принципе, согласно которому свет изменяет свою скорость при прохождении через клеточные и некле- точные структуры с различными коэффициентами преломления. Эти изменения используются в сис- теме фазового контраста, в которой одни структуры выглядят светлее, а другие — темнее, что делает этот вариант микроскопии мощным инструментом для изучения живых клеток. Другим методом наблю- дения неокрашенных клеток или тканевых срезов является дифференциальная интерференционная микроскопия Номарского, которая дает видимость трехмерного изображения (см. рис. 1-3). ПОЛЯРИЗАЦИОННАЯ МИКРОСКОПИЯ Поляризационная микроскопия позволяет 5^.л выявлять структуры, состоящие из высоко- X* организованных молекул. Когда нормаль- ный свет проходит через поляризационный фильтр (например, фирмы Поляроид), на выходе его колебания происходят только водном направлении. Если в микроскопе над первым фильтром поместить второй, главная ось которого перпендикулярна оси первого фильтра, то свет проходить не будет. В тех случаях, однако, если между двумя поляризацион- ными фильтрами помещены тканевые структуры, содержащие ориентированные молекулы (такие, как целлюлоза, коллаген, микротрубочки и микро- филаменты), их повторяющаяся, ориентированная молекулярная структура вращает ось световых лучей, исходящих из поляризатора. В результате они имеют вид ярких структур, расположенных на темном фоне (рис. 1 -4). Способность изменять направление коле- баний поляризованного света называется двойным лучепреломлением и служит признаком кристалли- ческого вещества или структур, содержащих высо- коориентированные молекулы. КОНФОКАЛЬНАЯ МИКРОСКОПИЯ Глубина фокуса обычного светового мик- роскопа сравнительно велика, особенно при использовании объективов малого увеличения. Это означает, что одновремен- но в фокусе можно видеть препарат на довольно существенную глубину, что вызывает наложение изображений трехмерного объекта. С другой сто- роны, при конфокальной микроскопии в фокусе одновременно видна только оченьтонкая плоскость препарата. Это явление основано на двух принципах: (1) объект освещается очень небольшим пучком света (тогда как в обычном световом микроскопе образец освещен очень крупным пучком лучей, буквально Рис. 1-3. Клетки нервного гребня в культуре — вид с исполь- зованием различных оптических методов. На всех фотогра- фиях показаны одни и те же неокрашенные клетки. Для ориентации каждого изображения использованы две пиг- ментные клетки. А — обычная световая микроскопия; Б — фазово-контрастная микроскопия; В — дифференциальная интерференционная микроскопия Номарского. Большое увеличение. (С любезного разрешения S. Rogers.) 18
Глава 1. Гистология и используемые в ней методы исследования Рис. 1-4. Поляризационная световая микроскопия. Не- большой кусочек брыжейки крысы окрасили методом с пикросириусом, выявляющим коллагеновые волокна. Брыжейку затем поместили на предметное стекло и изу- чали в проходящем свете. При использовании поляризо- ванного света в коллагеновых волокнах выявляется ин- тенсивное двойное лучепреломление, они окрашиваются в блестящий или желтый цвет. Среднее увеличение. «утоплен» в нем) и (2) полученное изображение образца должно пройти через мелкое отверстие. В результате только изображение, возникающее в плоскости фокусировки, достигает детектора, тогда как изображения кпереди и кзади от этой плос- кости блокируются (рис. 1-5). При этом картины несфокусированных объектов, снижающие качество изображения, теряются, а обнаружение объектов в плоскости фокусировки значительно улучшается, что позволяет локализовать любой компонент пре- парата со значительно большей точностью, чем при использовании обычного светового микроскопа. В практических целях в большинстве конфокаль- ных микроскопов используется следующая схема (рис. 1-6): 1) освещение обеспечивается лазерным источником, 2) поскольку он дает очень маленькую точку, она должна перемещаться по всему образцу (сканирование), чтобы обеспечить наблюдение значительной его части; 3) изучаемый компонент образца должен быть маркирован флюоресцентной молекулой (что означает невозможность изучения обычных срезов); 4) для создания изображения используют свет, который отражается от образца; Несколько возможных фокальных плоскостей Рис. 1-5. Принцип конфокальной микроскопии. В то время как очень маленькое пятно света, происходящее из одной плоскости среза, проходит через отверстие и достигает детектора, лучи, отраженные от других плоскос- тей, блокируются пластинкой. Таким образом, в данное время только одна тонкая плоскость образца находится в фокусе. Рис. 1-6. Конфокальный микроскоп (практическая схе- ма). Свет, испускаемый лазерным источником, попадает в образец и отражается от него. Разделитель пучка света направляет его в отверстие и детектор. Свет, исходящий от компонентов образца, расположенных выше или ниже плоскости фокусировки, блокируется пластинкой. Лазер сканирует образец таким образом, что можно наблюдать значительную его часть. 19
Гистология 5) поскольку отраженный свет захватывается детек- тором, сигнал можно усилить электронным путем, чтобы его можно было видеть на мониторе. Так как лишь очень тонкая плоскость фокусировки (называемая также оптическим срезом) выявляется в каждый момент времени, можно объединить не- сколько плоскостей фокусировки одного образца и ре- конструировать их, превратив в трехмерное изображе- ние. Для создания такой реконструкции и реализации многих других параметров конфокальный микроскоп нуждается в мошном компьютерном обеспечении. ФЛЮОРЕСЦЕНТНАЯ МИКРОСКОПИЯ При облучении некоторых веществ светом с опреде- ленной длиной волны они излучают свет с большей длиной волны. Это явление называется флюорес- ценцией. При флюоресцентной микроскопии сре- зы тканей облучают либо ультрафиолетовым (УФ) светом, либо лазером, а излучение находится в ви- димой части спектра. Флюоресцирующие вещества выглядят как блестящие или окрашенные участки на темном фоне. Флюоресцентные соединения, обладающие сродс- твом к макромолекулам клеток, можно использовать в качестве флюоресцентных красителей. Примером мо- жет служить акридин оранж, который способен соеди- няться с ДНК (дезоксирибонуклеиновой кислотой) и PH К. При исследовании с помощью флюоресцентного микроскопа комплекс ДН К—акридин оранж излучает желтовато-зеленый свет, а комплекс РНК—акридин оранж — красновато-оранжевый свет. Таким образом можно идентифицировать и локализовать в клетках нуклеиновые кислоты (рис. 1-7). Другая важная об- ласть использования флюоресцентной микроскопии основана на конъюгации флюоресцентных веществ (таких, как флюоресцеин изотиоцианат — ФИТЦ) с молекулами, которые специфически связываются с компонентами тканей и тем самым обеспечивают идентификацию этих компонентов под микроскопом (см. «Методы выявления, использующие высокоаф- финные взаимодействия между молекулами»). ЭЛЕКТРОННАЯ МИКРОСКОПИЯ Трансмиссионная и сканирующая элект- ронная микроскопия основаны на взаимо- действии между электронами и компонен- тами тканей. Трансмиссионная электронная микроскопия Трансмиссионный электронный микроскоп — это система визуализации изображения, которая тео- ретически обеспечивает очень высокое разрешение (0,1 нм) (рис. 1-8). На практике, однако, разреше- ние, получаемое большинством хороших приборов, составляет около 3 нм. Такое высокое разрешение делает возможным изучение деталей при увеличении вплоть до 400 000 раз. К сожалению, этот уровень увеличения применим только к изолированным мо- лекулам или частицам. Очень тонкие тканевые срезы можно детально изучать при увеличениях примерно до 120 000 раз. В основе действия трансмиссионного электронно- го микроскопа лежит принцип, согласно которому электромагнитные поля способны отклонять пучок электронов таким же образом, что и стеклянные лин- зы, отклоняющие свет. В электронном микроскопе электроны испускаются в результате нагревания в вакууме очень тонкой металлической (обычно вольфрамовой) нити (катода). Испускаемые элек- троны далее попадают в условия разницы потенци- алов порядка 60—120 кВ между катодом и анодом, представляющим собой металлическую пластинку с отверстием в центре (рис. 1-9). Электроны, таким образом, привлекаются к аноду и разгоняются до высоких скоростей. Они проходят через центральное отверстие в аноде, формируя постоянный поток (или пучок) электронов, который проникает в колонну Рис. 1-7. Клетки почки в культуре, окрашенные акридин оранжем. При использовании флюоресцентного микро- скопа ДНК (внутри ядра) излучает желтый свет, а цитоп- лазма с высоким содержанием РНК имеет красноватый или оранжевый цвет. (С любезного разрешения A Geraldes и J.M.V. Costa.) 20
Глава 1. Гистология и используемые в ней методы исследования микроскопа. Пучок проходит внутри электрических катушек и отклоняется примерно так же, как и свет в оптических линзах, поскольку электроны изменя- ют свой ход под действием электромагнитных полей. По этой причине электрические катушки электрон- ных микроскопов называются электромагнитными линзами. Устройство электронного микроскопа очень сходно с конструкцией оптического микроскопа, хотя оптика электронного микроскопа обычно располагается в обратном порядке (рис. 1-9). Пер- вая линза — это конденсор, который фокусирует пучок электронов на срезе. Некоторые электроны взаимодействуют с атомами в срезе и продолжают свой ход, тогда как другие просто проходят сквозь образец без взаимодействия. Большая часть элект- ронов достигает линзы объектива, которая образует увеличенное изображение, далее проецирующееся через другие увеличивающие линзы. Поскольку глаз человека не воспринимает электроны, изображение в конечном итоге проецируется на флюоресцентный экран или регистрируется на фотопластинках или в камере прибора с зарядовой связью. Так как боль- шая часть изображения в трансмиссионном элект- ронном микроскопе образуется в результате баланса между электронами, которые попадают на флюорес- центный экран (или фотопластинку), и электронами, которые остались в колонне микроскопа, получа- Г\ \ I Рис. 1-8. Общий вид трансмиссионного электронного микроскопа JEM-1230 (С любезного разрешения JEOL USA, Inc., Peabody, М.А.) ющееся изображение всегда черно-белое. Темные участки электронных микрофотографий обычно называют электронно-плотными, тогда как светлые участки именуют электронно-прозрачными. Чтобы создать хорошее взаимодействие между об- разцом и электронами, в электронной микроскопии используют очень тонкие срезы (40—90 нм), поэтому заливку производят в смолу, которая очень сильно затвердевает. Полученные блоки настолько твердые, что для изготовления срезов требуются стеклянные или алмазные ножи. Чрезвычайно тонкие срезы помещают на маленькие металлические сетки и по- мещают внутрь микроскопа для изучения. Метод замораживания позволяет исследовать тка- ни с помощью электронной микроскопии, при этом необходимость в фиксации и заливке отсутствует. Метод дает меньше артефактов, чем стандартная подготовка тканей, хотя он обычно отличается тру- доемкостью. Можно получить срезы замороженных тканей с их последующим исследованием методами цитохимии или иммуноцитохимии, или эти ткани подвергнуть скалыванию (криофрактографии, за- мораживанию-скалыванию) для выявления деталей внутренней структуры мембран. Катод Анод ПЗС-камера Линза проэк- тора Проме- жуточная линза Линза конден- сора Электри- ческая катушка Линза объек- тива Электронная пушка 3 мм Флюо- ресци- рующий экран Фотопленка Медная метка с 3 срезами Держатель образца Стеклянное окно Рис. 1-9. Трансмиссионный электронный микроскоп. Схема показывает его линзы и ход электронного луча. ПЗС — прибор с зарядовой связью 21
Гистология Сканирующая электронная микроскопия Сканирующая электронная микроскопия позволяет получать псевдотрехмерные изображения поверхности клеток, тканей и органов. В таком электронном мик- роскопе образуется очень узкий пучок электронов, ко- торый последовательно перемещается от одной точки к другой по всему образцу (сканирование). В отличие от трансмиссионного электронного микроскопа, в сканирующем электронном микроскопе электроны не проходят сквозь образец (рис. 1-10). Электронный пучок взаимодействует с очень тонким металлическим покрытием, ранее нанесенным на образец, в результате чего возникают отраженные, или испускаемые, элек- троны. Эти электроны обнаруживаются детектором, который передает их на усилители и другие приборы таким образом, что в конечном итоге сигнал проеци- руется на катодно-лучевую трубку (монитор), давая черно-белое изображение. Получаемые фотографии легко воспринимаются, поскольку на них объекты представлены при освещении сверху, точно так же, как наш обычный макроскопический мир вследствие освещения сверху заполнен ярко освещенными и за- тененными участками Сканирующий электронный микроскоп дает лишь изображения поверхностей структур. Внутреннее строение органов можно анали- зировать путем их замораживания и скалывания, в ре- Рис. 1-10. Сканирующий электронный микроскоп (схема). зультате чего обнажаются их внутренние поверхности. Примеры использования сканирующей электронной микроскопии представлены на рис. 12-3 и 12-4. АВТОРАДИОГРАФИЯ СРЕЗОВ ТКАНЕЙ Авторадиография представляет собой иссле- < дование биологических явлений на срезах тканей с использованием радиоактивности. Авторадиография позволяет обнаружить радиоактивные вещества в тканях благодаря воздейс- твию радиоактивного излучения на фотоэмульсию. Кристаллы бромистого серебра, содержащиеся в эмульсии, служат микродетекторами радиоактивнос- ти, точно так же, как они реагируют на свет в обыч- ной фотографии. Первый этап авторадиографии состоит во введении радиоактивного соединения в клетки. В зависимости от цели исследования, можно использовать разнообразные молекулы, включая радиоактивные аминокислоты, радиоактивные нук- леотиды и радиоактивные углеводы. Эти молекулы называются предшественниками, потому что они могут использоваться клетками для синтеза более крупных молекул, таких, как белки, нуклеиновые кислоты или полисахариды и гликопротеины. По- лучают срезы тканей и покрывают их фотоэмуль- сией. Препараты хранят в светонепроницаемых коробках; после определенного периода экспози- ции их проявляют фотографическим способом и изучают Когда радиоактивные частицы попадают в кристаллы бромистого серебра, содержащиеся в фотоэмульсии, они превращаются в мелкие черные зерна металлического серебра, тем самым обна- руживая присутствие радиоактивного соединения в ткани. Структуры, содержащие радиоактивные мо- лекулы, покрыты такими зернами. Этот метод можно использовать как в световой, так и в электронной микроскопии (рис. 1-11). Обнаружение радиоактивных соединений в опре- деленных тканевых компонентах позволяет получить обширную информацию. Так, при использовании ра- диоактивных аминокислот можно установить, какие клетки в данной ткани вырабатывают больше белка, а какие — меньше, поскольку количество зерен серебра, образовавшихся над клетками, пропорци- онально интенсивности синтеза белка. С помощью радиоактивного предшественника ДНК (такого, как радиоактивный тимидин) можно определить, какие клетки в данной ткани (и в каком количестве) готовятся к делению. Можно анализировать также и динамические процессы. Например, для того, чтобы выяснить, где в клетке вырабатывается белок, если он далее секретируется, а также по какому пути он перемещается внутри клетки, прежде чем он будет из нее выделяться, нескольким животным вводят радиоактивную аминокислоту и получают от них материал спустя различные промежутки времени 22
Глава 1 Гистология и используемые в ней методы исследования А Б Рис. 1-11. Авторадиографы поднижнечелюстной железы мыши после введения 3Н-фукозы за 8 ч до получения матери- ала. А — при использовании светового микроскопа можно видеть черные зерна серебра, указывающие участки клетки, содержащие радиоактивные вещества. Большая часть радиоактивного материала находится в гранулах клеток грануляр- ных протоков железы. Большое увеличение. Б — та же ткань, подготовленная методом электронно-микроскопической авторадиографии. Зерна серебра при этом увеличении выглядят как извитые структуры, расположенные главным образом над гранулами (Г) и в просвете железы (П). Большое увеличение. (С любезного разрешения TG. Lima и A. Haddad.) после введения. Авторадиографы срезов матери- ала, полученного в разные сроки эксперимента, выявят миграцию радиоактивных белков. Для того чтобы установить, где в органе образуются новые клетки и куда они мигрируют, нескольким живот- ным вводят радиоактивный тимидин и получают материал спустя различное время после инъекции. Авторадиографы срезов покажут, где клетки де- лятся и куда (если это происходит) они мигрируют (рис. 1-12). 23
Гистология А Б Рис. 1-12. Авторадиографы срезов ткани мыши, которой за 1 ч до получения органов ввели "Н-тимидин. Так как ав- торадиографы экспонировали в течение очень продолжи- тельного времени, радиоактивные ядра содержат большое количество метки и покрыты «облаками» темных зерен. А — в основании кишечных желез (треугольники) многие клетки делятся, но вдоль ворсинок (стрелка) делящиеся клетки отсутствуют. Малое увеличение. Б — на срезе лим- фатического узла видно, что деление клеток происходит преимущественно в его герминативных центрах (стрелка). Малое увеличение. (С любезного разрешения Т.М.Т. Zorn, М. Soto-Suazo, C.M.R. Pellegrini и W.E. Stumpf.) КУЛЬТУРА КЛЕТОК И ТКАНЕЙ Клетки и ткани можно сохранять в живом состоянии и исследовать вне организма. В сложном организме ткани и органы об- разованы несколькими видами клеток. Эти клетки омываются плазмой крови, содержащей сотни различных молекул. Культура клеток и тканей оказалась очень полезной для выяснения действия отдельных молекул на один тип клетки или ткани. Она также дает возможность непосредственного наблюдения под микроскопом поведения живых клеток. Ряд экспериментов, которые невозможно выполнить на живых животных, можно воспроиз- вести in vitro. Клетки и ткани выращивают в сложных растворах известного состава (соли, аминокислоты, витамины), к которым часто добавляют компоненты сыворотки. В ходе подготовки культур из ткани или органа клет- ки изначально следует разъединить (диспергировать) либо механически, либо путем обработки ткани фер- ментами. После выделения клетки можно культиви- ровать в виде взвеси (суспензии) или посева в чашке Петри или на стеклах, к которым они прилипают, обычно в виде монослоя клеток (рис. 1 -3). Культуры, полученные описанным способом, — это первичные клеточные культуры. Данным методом из нормальных и патологически измененных тканей были некогда выделены многочисленные типы клеток, которые с тех пор поддерживают in vitro благодаря тому, что их сделали бессмертными, и в настоящее время они представляют собой постоянные клеточные линии. У большинства клеток, полученных из нормальных тканей, имеется конечная, генетически запрограм- мированная продолжительность жизни. Однако некоторые изменения (главным образом связан- ные с онкогенами; см. главу 3) могут обеспечить бессмертие, в результате процесса, известного как трансформация, который может быть первым шагом на пути превращения нормальной клетки в раковую Благодаря трансформации и другим усовершенство- ваниям в технологии культивирования, большинство типов клеток в настоящее время можно поддержи- вать в лаборатории в течение неопределенно долгого времени. Все манипуляции с живыми клетками и тканями должны производиться в условиях стериль- ности, с использованием стерильных растворов и оборудования. МЕДИЦИНСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ Культура клеток нашла широкое применение в исследованиях обменных процессов в нормаль- ных и раковых клетках и при разработке новых лекарств. Этот метод также оказался полезным в исследованиях паразитов, которые растут только внутри клеток, таких, как вирусы, мико- плазмы и некоторые простейшие (рис. 1-13). В цитогенетических исследованиях определение кариотипа человека (числа и морфологических особенностей хромосом обследуемого) дости- гается путем кратковременного культивирования лимфоцитов крови или фибробластов кожи. В ре- зультате изучения митотически делящихся клеток в культурах ткани можно выявить аномалии числа и строения хромосом, которые связаны между собой и имеют значение в диагностике многочис- ленных заболеваний, называемых в совокупности 24
Глава 1. Гистология и используемые в ней методы исследования Рис. 1-13. Фибробласты цыпленка, выращенные в культуре ткани и зараженные простейшими Trypanosoma cruzi. Хотя границы клеток определяются плохо, можно легко видеть их ядра (Я). Внутри каждой клетки присутствуют много- численные трипаносомы (стрелки) Большое увеличение (С любезного разрешения S. Yoneda.) генетическими нарушениями. Помимо этого, культура клеток занимает центральное место в современных методах молекулярной биологии и технологии с рекомбинантной ДНК ФРАКЦИОНИРОВАНИЕ КЛЕТОК Органеллы и другие компоненты клеток и тканей можно выделить путем фракционирования клеток. Это — физический процесс, основанный на ис- пользовании центробежной силы для разделения органелл и клеточных компонентов в зависимости от их коэффициентов седиментации. Коэффициент седиментации (осаждения) частицы зависит от ее раз- мера, формы и плотности, а также от вязкости среды (рис. 1-14). Органеллы, полученные этим методом, можно проанализировать на их чистоту, используя электронный микроскоп (рис. 1 -15), а их химический состав и функции можно изучать in vitro. ГИСТОХИМИЯ и цитохимия Термины гистохимия и цитохимия используют для обозначения методов выявления веществ в срезах тканей, Для получения такой информации приме- няют ряд процедур, большей частью основанных на специфических химических реакциях или на высо- коаффинных (с высоким сродством) взаимодейс- твиях между макромолекулами. При использовании этих методов обычно получают нерастворимые окрашенные или электронно-плотные соединения, которые дают возможность обнаружения локализа- ции определенных веществ посредством световой или электронной микроскопии. Ионы Ряд ионов (например, кальций, железо, фосфаты) выявляют в тканях с помощью этих методов при ис- пользовании химических реакций, дающих темный нерастворимый продукт (рис. 1-16). Нуклеиновые кислоты ДН К можно идентифицировать и оценить количест- венно в ядрах клеток с помощью реакции Фельгена, которая окрашивает ДНК в красный цвет. Опреде- ление ДНК и РНК можно также провести путем окрашивания клеток или срезов тканей основным красителем. Белки Хотя существуют общие методики выявления белков в срезах тканей, гистохимические методы обычно не позволяют идентифицировать конкретные бел- ки в клетках и тканях. Этого результата позволяет достичь иммуноцитохимия, которая представлена в этой главе далее. Ряд гистохимических методов можно использо- вать для того, чтобы выявить более или менее спе- цифические ферменты, которые представляют собой большую группу белков. Эти методы (называемые гистоэнзимологическими) обычно основаны на способности ферментов воздействовать на специ- фические химические связи. Использование боль- шинства гистоэнзимологических методов включает следующие этапы: 1) срезы ткани погружают в раствор, содержащий субстрат изучаемого фермента; 2) фермент воздействует на свой субстрат: 3) на этой или последующей стадии происходит вза- имодействие среза с маркерным соединением; 4) это соединение реагирует с молекулой, которая получается в результате расщепления или изме- нения субстрата; 5) конечный продукт реакции, который должен быть нерастворимым и видным при использо- 25
Гистология вании световой или электронной микроскопии, осаждается над участками, содержащими фер- мент. При изучении такого среза под микро- скопом можно увидеть клетки (или органеллы), покрытые окрашенным или электронно-плот- ным материалом. Ниже приведены примеры ферментов, которые можно выявить гистохимическими методами. Рис. 1-14. Фракционирование кле- ток дает возможность выделять клеточные компоненты путем диф- ференциального центрифугирова- ния. Рисунки справа показывают клеточные органеллы, находящиеся на дне каждой пробирки после цент- рифугирования. Центробежная сила выражается в единицах g, которые эквивалентны силе гравитации. Ку- сочек ткани измельчают лезвиями бритв или ножницами и диссоци- ируют с помощью гомогенизатора или ультразвука (1). Диссоцииро- ванную ткань оставляют примерно на 20 мин. Скопления клеток и волокна межклеточного вещества осаждаются на дно (2). Супернатант центрифугируют при 1000 g в тече- ние 20 мин. Осаждаются ядра (3). Супернатант центрифугируют при 10 000 g в течение 20 мин. Осаждаются митохондрии и лизо- сомы (4). Супернатант центрифуги- руют при 105 000 g в течение 120 мин. Осаждаются микросомы (5). Если супернатант сначала обрабатывают дезоксихолатом натрия, а потом цен- трифугируют при 105 000 g в течение 120 мин. микросомы диссоциируют и осаждаются отдельно в виде мем- бран гранулярной эндоплазмати- ческой сети (грЭПС) и рибосом (6). (Перерисовано и воспроизведено, с разрешения, из Bloom W.. Fawcett D.W.: A Textbook of Histology, 9th ed. Saunders, 1968.) Мембраны эндоплазматической сети 26
Глава 1, Гистология и используемые в ней методы исследования А Б В Рис. 1-15. Три клеточные фракции, выделенные цен- трифугированием в гради- енте плотности. А— ми- тохондриальная фракция, загрязненная микросома- ми. Б — микросомальная фракция. В —лизосомаль- ная фракция. Электронные микрофотографии. Большое увеличение. (С любезного разрешения Р. Baudhuin.) Рис. 1-16. Кость после гистохимического выявления ионов кальция Темный осадок указывает на присутствие фосфата кальция в обызвествленной кости и хряще. Необызвест- вленная ткань хряща (окрашенная в розовый цвет) на- ходится в верхней части снимка. Среднее увеличение. (С любезного разрешения Р.А. Abrahamsohn.) Фосфатазы — это ферменты, широко распро- страненные в организме. Они расщепляют связь между фосфатными группами и спиртовым остатком в фосфорилированных молекулах. Окрашенным нерастворимым продуктом реакции выявления фосфатаз обычно служит фосфат свинца или суль- фид свинца. На срезах можно выявить щелочные фосфатазы (рис. 1-17), максимальная активность которых соответствует щелочным значениям pH. Кислую фосфатазу часто выявляют, поскольку она маркирует лизосомы — органеллы цитоплазмы, со- держащие этот фермент (рис. 1-18). Дегидрогеназы переносят водород с одного суб- страта на другой. В организме существует много дегидрогеназ, которые играют важную роль в ряде обменных процессов. Дегидрогеназы выявляют гистохимически путем инкубации срезов нефикси- рованной ткани в растворе субстрата, содержащем молекулу, которая воспринимает водород и выпа- дает в осадок в виде нерастворимого окрашенного соединения. Этим методом в митохондриях можно выявить сукцинатдегидрогеназу — ключевой фер- мент цикла лимонной кислоты (цикла Кребса) Пероксидаза, которая присутствует в клетках нескольких типов, — фермент, обеспечивающий окисление некоторых субстратов с переносом водо- Рис. 1-17. Почка крысы. Выявление фермента щелочной фосфатазы методом Гомори. Участки, содержащие этот фермент, покрыты черным осадком (стрелки) Среднее увеличение. 27
Гистология Рис. 1-18. Выявление кис- лой фосфатазы. В клет- ке почки крысы вблизи ядра (Я) обнаруживаются три лизосомы (Л). Темный материал над лизосома- ми — фосфат свинца, ко- торый образовал осадок в участках расположения кислой фосфатазы. Элект- ронная микрофотография. (С любезного разрешения Е. Katchburian.) родных ионов на перекись кислорода и образованием молекул воды. Для выявления пероксидазы срезы адекватно фиксированной ткани инкубируют в рас- творе, содержащем перекись водорода и 3,3’-диами- ноазобензидин. Последнее соединение окисляется в присутствии пероксидазы, давая нерастворимый, коричневый, электрон но-плотный осадок, который дает возможность локализовать активность перокси- ды на уровне световой и электронной микроскопии. Этим методом выявляют активность пероксидазы в клетках крови, которая имеет большое значение в диагностике лейкозов. Поскольку пероксидаза чрезвычайно активна и за короткое время образует значительное количество нерастворимого осадка, она получила широкое рас- пространение для практических целей — маркиров- ки других соединений. Молекулы пероксидазы очи- щают, изолируют и связывают с другой молекулой. Использование маркировки молекул пероксидазой описывается далее в этой главе. Полисахариды и олигосахариды Полисахариды в организме встречаются либо в свободном состоянии либо в соединении с белками и липидами. В комбинированном состоянии они об- разуют чрезвычайно сложную гетерогенную группу. Полисахариды можно выявить ШИК-реакцией, или /^45-реакцией (Шифф-йодной кислотой, иными словами, реакцией с перйодатом—реактивом Шиф- фа; англ название — periodic acid-Schiff — PAS). Она основана на превращении 1,2-гликольных групп, имеющихся в молекулах сахаров, в альдегиды. Эти альдегиды далее выявляют реактивом Шиффа, даю- щим пурпурное или красное окрашивание в участках среза, содержащих скопления полисахаридов. В организме повсеместно распространен свобод- ный полисахарид гликоген, который можно выявить ШИК-реакцией в печени, поперечнополосатой мыш- це и других тканях, где имеются его скопления. Гликопротеины представляют собой молекулы белка, связанногос мелкими разветвленными цепоч- ками углеводов (олигосахаридов). Белковая цепочка преобладает по массе и объему над ол игосахаридной. Поскольку как гликоген, так и нейтральные гли- копротеины дают ШИК-реакцию, специфичность ШИК-реакции можно повысить путем сравнения окраски обычных срезов с окраской срезов, предва- рительно обработанных ферментом, расщепляющим гликоген (например, амилазой, содержащейся в слю- не). Структуры, которые интенсивно окрашиваются при проведении ШИК-реакции, но не окрашивают- ся после воздействия амилазы, содержат гликоген. На рис. 1-19 представлены примеры структур, окра- шивающихся при проведении ШИК-реакции. Гликозаминогликаны — высокоанионные, не- разветвленные длинноцепочечные полисахариды, содержащие аминированные моносахариды (ами- носахара). В результате прикрепления цепочек гли- козаминогликанов к белковой основе образуются сложные молекулы — протеогликаны. К последним относятся некоторые из очень важных компонентов межклеточного вещества (матрикса) соединительной ткани (см. главы 5 и 7). В отличие от гликопротеинов, углеводные цепочки в протеогликанах представляют собой главный компонент их молекулы. Гликозами- 28
Глава 1. Гистология и используемые в ней методы исследования Рис. 1-19. Кишечная ворсинка, окрашенная с помощью ШИК-реакции. Окраска интенсивна в области щеточной каемки клеточной поверхности (стрелки) и в секреторном продукте бокаловидных клеток (Б) вследствие высокого содержания полисахаридов. Докраска гематоксилином Большое увеличение. ногликаны и кислые гликопротеины обладают резко выраженными анионными свойствами вследствие высокого содержания в них карбоксильных и суль- фатных групп. По этой причине они дают сильную реакцию с красителем альпиановым синим. Липиды Липиды наилучшим образом выявляются жирораство- римыми красителями Замороженные срезы погружа- ют в спиртовые растворы, насыщенные красителем. К наиболее часто используемым красителям относятся Судан IV и Судан черный. Краситель растворяется в кле- точных липидных капельках, которые окрашиваются в красный или черный цвет. Дополнительные методы, используемые для выявления локализации холестерола и его эфиров, фосфолипидов и гликолипидов, полезны для диагностики метаболических заболеваний, кото- рые сопровождаются внутриклеточным накоплением различных видов липидов. МЕТОДЫ ВЫЯВЛЕНИЯ, ИСПОЛЬЗУЮЩИЕ ВЫСОКОАФФИННЫЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ МЕЖДУ МОЛЕКУЛАМИ Молекулу, находящуюся в срезе ткани, можно иден- тифицировать, используя соединения, которые специфически взаимодействуют с этой молекулой. Соединения, которые будут взаимодействовать с мо- лекулой, должны быть маркированы меткой, которую можно будет выявить при использовании светового т МЕДИЦИНСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ Ряд гистохимических методов часто использу- ют в лабораторной диагностике заболеваний, которые приводят к накоплению железа, глико- гена, гликозаминогликанов и других веществ. Примерами могут служить реакция Перлса на железо (например, при гемохроматозе и гемосидерозе), ШИК-реакция с амилазой на гликоген (при гликогенезе), окраска аль- циановым синим на гликозаминогликаны (при мукополисахаридозе) и окраска липидов (при сфинголипидозе). или электронного микроскопа (рис. 1-20). Наиболее часто используемые метки — это флюоресцирующие соединения (которые можно увидеть с помощью флюоресцентного или лазерного микроскопа), радио- активные атомы (которые можно выявить методом авторадиографии), молекулы пероксидазы (кото- рые можно обнаружить путем выявления фермента с использованием перекиси водорода и 3,3’-диамино- азобензидина) или другие ферменты (которые можно выявить с помощью соответствующих субстратов), а также металлические (обычно золотые) частицы, которые можно наблюдать с помощью световой и электронной микроскопии Эти методы используют главным образом для выявления углеводов, белков и нуклеиновых кислот. Фаллоидин, белок А, лектины и антитела служат примерами соединений, которые специфически взаимодействуют с другими молекулами. Фаллоидин, получаемый из гриба (Amanita phalloides), сильно взаимодействует с актином, его обычно маркируют флюоресцирующими красите- лями для выявления актиновых филаментов. Белок А — белок, получаемый из Staphylococcus aureus, который связывается с Fc-областью молекул иммуноглобулинов (антител). Меченый белок А может быть использован для выявления иммуног- лобулинов. Лектины — белки или гликопротеины, получаемые главным образом из семян растений, которые связы- ваются с высоким сродством и специфичностью с уг- леводами. Различные лектины взаимодействуют со спе- цифическими последовательностями молекул сахаров. Они способны связываться с гликопротеинами, проте- огликанами и гликолипидами и широко используются для характеристики мембранных молекул, содержащих определенные последовательности углеводов. Иммуноцитохимия Взаимодействие антигена со своим антителом — пример высокоспецифического взаимодействия между молекулами. По этой причине методы с ис- 29
Гистология Рис. 1-20. Соединения, обладающие сродством к другим молекулам, можно маркировать с помощью метки и ис- пользовать для идентификации этих молекул. Молекула А обладает высоким и специфическим сродством к части молекулы Б (1). При смешивании молекул А и Б молеку- ла А связывается с участком на молекуле Б. который она распознает (2). Молекулу А можно маркировать с помо- щью метки, которую можно выявить при использовании светового или электронного микроскопа. Меткой может быть флюоресцирующее соединение, фермент (например, пероксидаза), частицы золота или радиоактивный атом (3). Если молекула Б содержится в клетке или межклеточном веществе, которые инкубируются с меченой молекулой А, молекулу Б можно будет обнаружить (4). пользованием меченых антител оказались наиболее полезными для идентификации и локализации спе- цифических белков и гликопротеинов. В организме имеются клетки, которые способ- ны отличать свои собственные молекулы (свое) от чужеродных. В ответ на воздействие чужеродных молекул, известных как антигены, организм выраба- тывает белки — антитела, — которые специфически реагируют с антигеном и связывают его. тем самым способствуя удалению чужеродного вещества. Анти- тела— белки, относящиеся к семейству, включаю- щему многочисленные иммуноглобулины. В иммуноцитохимических исследованиях срезы ткани (или клетки в культуре), которые могут содер- жать определенные белки, инкубируют в растворе, содержащем антитела к этому белку. Антитела спе- цифически связываются с белком, локализацию ко- торого можно проследить с помощью светового или электронного микроскопа, в зависимости от типа со- единения, используемого для маркировки антител. Одно из наиболее важных требований к имму- ноцитохимическим методам — наличие антител к выявляемому белку. Это означает необходимость предварительной очистки и выделения данного белка с тем, чтобы можно было получить антите- ла. Некоторые методы выделения белка показаны на рис. 1-21 и 1-22. Поликлональные и моноклональные антитела Предположим, что нашей задачей является получе- ние антител к белку х определенного вида животного (например, крысы) или человека. В том случае, когда белок х уже выделен, его вводят животному другого вида (например, кролику или козе). Если белок отличается настолько, что данное животное распознает его как чужеродный, т.е. как антиген, у животного будут вырабатываться антитела к этому белку (например, кроличьи антитела к белку х крысы или козьи антитела к белку х человека). Эти анти- тела получают из плазмы животного и используют в иммуноцитохимии. Несколько групп (клонов) лимфоцитов живот- ного, которому ввели белок х, могут распознавать различные участки молекулы белка, причем каждая группа вырабатывает антитела к соответствующему участку. Такие поликлональные антитела являются смесью антител. Возможно, однако, воздействовать белком х на лимфоциты, находящиеся в культуре клеток (в дейс- твительности, на лимфоциты, объединенные с опу- холевыми клетками). Отдельные клоны лимфоцитов будут вырабатывать различные антитела к нескольким участкам молекулы белках. Можно выделить каждый клон и культивировать его самостоятельно — таким образом, чтобы различные антитела к белку х можно было получать по отдельности. Полученные таким путем антитела — это моноклональные антитела. Су- ществует ряд преимуществ использования монокло- нальных антител по сравнению с поликлональными: например, можно отобрать моноклональные антитела по высокой специфичности и по активности связы- вания с выявляемым белком. Поэтому будет меньше неспецифического связывания с другими белками, сходными с изучаемым. Прямой иммуноцитохимический метод основан на использовании антител (моноклональных или по- ликлональных), которые должны быть маркированы соответствующей меткой. Срез ткани инкубируют с антителами в течение некоторого времени с тем, чтобы произошло взаимодействие и связывание антител с белком х. Срез далее промывают для уда- ления несвязанных антител (рис. 1-23). В зависи- мости от использованной метки (флюоресцирующее соединение, фермент, частицы золота) срез можно 30
Глава 1. Гистология и используемые в ней методы исследования исследовать с помощью светового или электронного микроскопа. Если в качестве метки использована перокси- даза или другой фермент, до изучения среза ткани под микроскопом следует выявить этот фермент (см. раздел «Гистохимия и цитохимия») Участки среза ткани, содержащие белокх, будут флюоресци- ровать, окажутся покрытыми частицами золота или темным осадком, если маркером служил фермент. Непрямой иммуноцитохимический метод обладает более высокой чувствительностью, но требует боль- шего числа этапов. Предположим, что наша цель за- ключается в выявлении белках, имеющегося у крыс. Прежде, чем проводить иммуноцитохимическую ре- акцию, следует выполнить две процедуры: (I) снача- ла необходимо получить антитела (поликлональные или моноклональные) к белку х крысы у животного другого вида (например, кролика); (2) параллельно иммуноглобулин нормального (не получавшего инъекции) кролика вводят животному третьего вида (например, козе). Кроличьи иммуноглобулины яв- ляются чужеродными для козы и поэтому способны вызывать у этого животного выработку антител (ан- тител к антителам, или антииммуноглобулинов). Непрямое иммуноцитотохимическое выявление первоначально включает инкубацию среза ткани крысы, содержащего белок х, с кроличьими анти- телами к белку х. После промывания срезы ткани инкубируют с мечеными козьими антителами к кроличьим антителам. Эти антитела к антителам будут связываться с кроличьими антителами, которые уже ранее связались с белком х (рис. I -24). Белокхдалее можно обнаружить с использованием микроскопичес- МЕДИЦИНСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ Иммуноцитохимия внесла существенный вклад в исследования в области клеточной биологии и в совершенствование методов диагностики в медицине. На рис. 1-25-1-28 приведены примеры иммуноцитохимического выявления молекул. Табл. 1-1 содержит данные о неко- торых наиболее распространенных целях ис- пользования иммуноцитохимических методов в клинической практике. Рис. 1-21. Ультрацентрифугирование (А) и хроматография (Ь): методы выделения белков. А — смесь белков, полученную из гомо- генизированных клеток или тканей, центрифугируют с высокой ско- ростью в течение нескольких часов. Белки разделяются на несколько фракций (полос) в зависимости от размера и плотности белковой молекулы. Среду, в которой проводили ультрацентрифугирование, собирают в виде нескольких фракций, содержащих различные белки, которые можно подвергнуть дальнейшему анализу. Б — рас- твор, содержащий смесь белков, полученных при гомогенизации клеток или тканей, вносят в колонну, заполненную частицами с различными химическими свойствами. Например, частицы могут иметь различные электростатические заряды (привлекая белки в соответствии с их зарядом) или различные размеры пор (которые играют роль сита для молекул различного размера). По мере переме- щения белков по колонне их движение замедляется в соответствии с их взаимодействиями с частицами. Из оттекающей среды можно выделить различные группы белков. 31
Гистология кого метода, соответствующего метке, маркирующей вторичные антитела. Существуют другие непрямые ме- тоды с использованием иных промежуточных молекул, такие, как методика с биотином-авидином. Метод гибридизации Главной задачей современной клеточной биоло- гии является расшифровка деятельности клеток Б на молекулярном уровне. Эта задача требует исполь- зования методик, которые позволяют анализировать молекулы, участвующие в процессе передачи потока информации от ДН К к белку. В основе многих мето- дов лежит гибридизация. Гибридизация представляет собой связывание двух одиночных нитей нуклеи- новых кислот (ДНК с ДНК, РНК с РНК или РНК с ДНК), которые в случае их комплементарности распознают друг друга. Чем больше сходство пос- ледовательностей нуклеотидов, тем активнее ком- плементарные нити образуют «гибридные» двухце- почечные молекулы. Гибридизация, таким образом, дает возможность специфической идентификации последовательностей ДНК или РНК Таблица 1-1. Белки (антигены), часто используемые в иммуноцитохимический диагностике и лечении забо- леваний Антигены Диагноз Белки промежуточных филаментов | Цитокератины 1 Глиальный фибрил- I лярный кислый белок । Виментин Десмин Другие белки Белковые и полипеп- I тидные гормоны Раково-эмбриональ- 1 ный антиген (РЭА) * Рецепторы стероид- ных гормонов Антигены, вырабаты- ваемые вирусами Опухоли эпителиального про- исхождения Опухоли из некоторых глиаль- ных клеток Опухоли соединительной ткани Опухоли мышечной ткани Опухоли, продуцирующие бел- ковые и полипептидные гормоны Опухоли желез, преимущест- венно пищеварительного тракта и молочной железы Опухоли протоков молочной железы Специфические вирусные инфекции Гель Гель Гель Рентгеновская пленка Н итроцел л юлозная мембрана Рис. 1-22. Гель-электрофорез: метод выделения белков. А — выделение белков. Смеси белков получают из гомо- генизированных клеток или тканей. Их обычно обраба- тывают сильным детергентом (додецилсульфатом натрия) и меркаптоэтанолом для разворачивания и разделения субъединиц белка (1). Образцы помещают на пластины полиакриламидного геля, которые подвергают воздействию электрического поля. Белки мигрируют по гелю в соответс- твии с их размером и формой (2). К гелю добавляют смесь белков с известной молекулярной массой в качестве эталона для идентификации молекулярной массы других белков (3). Б — выявление и идентификация белков. Окрашивание. Все белки окрашиваются в один цвет. Интенсивность цвета пропорциональна концентрации белка (1). Авторадиогра- фия. Радиоактивные белки можно обнаружить с помощью авторадиографии. Рентгеновскую пленку на определенное время прикладывают к гелю, после чего проявляют. Радио- активные белки будут иметь вид темных полос на пленке (2). Иммуноблоттинг. Белки можно перенести с геля на нитро- целлюлозную мембрану. Мембрану инкубируют с мечеными антителами к белкам, присутствующим в образце (3). 32
Глава 1. Гистология и используемые в ней методы исследования Рис. 1-23. Прямой иммуноцитохимический метод Молекула иммуноглобулина (Ig) (1). Выработка поликлональных антител. Белокх крысы вводят кролику. Вырабатываются несколько кроличьих Ig к белку х (2). Маркировка антител. Кроличьи ^маркируются меткой (3). Иммуноцитохимическая реакция. Кроличьи Ig распознают белок х и связываются с его различными частями (4) Гибридизация in situ При непосредственном использовании на клетках и срезах тканей, мазках или хромосомах раздавленных митотических клеток описанный метод называется гибридизацией in situ. Этот метод идеально подходит для определения наличия в клетке специфической последовательности ДНК (например, гена или его части), для идентификации клеток, в которых осу- ществляется транскрипция определенного гена, или для выявления локализации гена в определенной хромосоме. ДНК внутри клетки следует первона- чально денатурировать нагреванием или денату- рирующими агентами для разделения двух нитей ДНК. После этого они готовы для гибридизации с сегментом одноцепочечной ДНК или РНК, кото- рый комплементарен выявляемой последователь- ности. Такая последовательность известна как зонд. Зонд можно получить клонированием, амплифика- цией (усилением) изучаемой последовательности с помощью полимеразной цепной реакции (ПЦР) или синтезом, если >та последовательность короткая. Зонд должен быть маркирован меткой, обычно ра- диоактивным изотопом (который можно обнаружить с помощью авторадиографии) или модифициро- ванным нуклеотидом (дигоксигенином), который можно идентифицировать иммуноцитохимически. При гибридизации in situ срезы ткани, культиви- руемые клетки, мазки или хромосомы раздавленных митотических клеток сначала нагревают для разделе- ния двойных нитей их ДН К. Далее на образец наносят раствор, содержащий зонд, на период времени, необ- ходимый для гибридизации. После удаления избытка зонда отмыванием по расположению метки определя- ют локализацию меченого зонда (рис. 1-29). Гибридизацию можно также проводить с очищенны- ми ДНК или РНК на плотном носителе. Смеси ДНК или РНК разделяют электрофорезом в агарозном или Рис. 1-24. Непрямой иммуноцитохимический метод. Выработка первичных поликлональных антител. Белокх крысы вводят кролику. На белок х вырабатываются несколько кроличьих иммуноглобулинов (Ig) (1). Выработка вторичных антител. Ig неиммунного (нормального) кролика вводят козе. Вырабатываются козьи 1g к кроличьим Ig. Далее выделяют козьи Ig и маркируют меткой (2). Первый этап иммуноцитохимической реакции. Кроличьи Ig распознают различные участки белка х и связываются с ними (3). Второй этап иммуноцитохимической реакции. Меченые козьи Ig распознают различные участки молекулы кроличьих иммуноглобулинов и связываются с ними, тем самым маркируя белокх (4). 33
Гистология Рис. 1-25. Децидуальная клетка мыши, выращенная in vitro. Бе- лок десмин, образующий проме- жуточные филаменты, выявлен с помощью непрямого иммуно- флюоресцентного метода. Сеть флюоресцирующих промежуточ- ных филаментов занимает боль- шую часть цитоплазмы. Ядро (Я) окрашено в синий цвет. Большое увеличение. (С любезного разре- шения EG. Costa.) 1 Рис. 1-26. Тонкая кишка. Срез обработан антителами к ферменту лизоциму для выявления лизосом в макрофагах и клетках Панета. Коричневое окрашивание, указывающее на присутствие лизоцима, возникает вследствие реакции выявления пероксидазы, которая связана со вторичными антителами. Ядра докрашены гематоксилином. Среднее увеличение. Рис. 1-27. Аденокарцинома толстой кишки. Иммуноцито- химическое выявление раково-эмбрионального антигена. Раково-эмбриональный антиген представляет собой белок, присутствующий в некоторых злокачественных опухолях, главным образом молочной железы и кишечника. Антите- ла помечены пероксидазой; коричневый осадок указывает на опухолевые клетки Докраска гематоксилином. Среднее увеличение. полиакриламидном геле. После электрофореза фраг- менты нуклеиновых кислот переносят на нейлоновы й или нитроцеллюлозный лист: буфер протекает через гель и мембрану за счет капиллярности, перенося молекулы нуклеиновых кислот, которые прочно связы- ваются с нейлоновым или нитроцеллюлозным листом, где можно проводить дальнейший анализ нуклеиновых 34
Глава 1. Гистология и используемые в ней методы исследования Рис. 1-28. Ацинарная клет- ка поджелудочной желе- зы. Срез инкубировали с антителами к амилазе и окрашивали белком А, связанным с частицами золота. Белок А обладает высоким сродством к мо- лекулам антител. Частицы золота имеют вид очень мелких черных точек, рас- положенных над секретор- ными гранулами. Элект- ронная микрофотография. (С любезного разрешения М. Bendayan.) кислот. Этот метод идентификации ДНК называется Саузерн-блоттингом. Если проводится электрофорез РНК, метод называют нозерн-блоттингом. Методы гибридизации обладают высокой специ- фичностью и часто используются в исследованиях, клинической диагностике и судебной медицине. ТРУДНОСТИ В ИНТЕРПРЕТАЦИИ ПРИ ИЗУЧЕНИИ СРЕЗОВ ТКАНИ Искажения и артефакты, вызванные подготовкой ткани к исследованию При исследовании и интерпретации окрашенных срезов тканей на микроскопических препаратах следует учитывать одно важное обстоятельство — на- блюдаемый объект получен в итоге ряда процессов, которые начинаются фиксацией и заканчиваются окраской среза. Некоторые этапы этой процедуры могут внести искажения в структуру тканей, в резуль- тате чего их вид становится отличным от прижизнен- ного. Одна из причин таких искажений — сжатие, связанное с действием фиксатора, этанола и нагре- вания, необходимого для заливки в парафин. Сжатие уменьшается при заливке образца в смолу Последствием сжатия является появление искус- ственных пространств между клетками и другими тканевыми компонентами. Другим источником Рис. 1-29. Доброкачественная эпителиальная опухоль (кондилома) после обработки. Исследование методом гибридизации in situ. Коричневые участки соответствуют местам локализации ДНК вируса папилломы человека 2 типа. Докраска гематоксилином. Среднее увеличение. (С любезного разрешения J.E. Levi.) искусственных пространств служит потеря моле- кул, которые недостаточно удерживаются в тканях фиксатором или были удалены жидкостями при де- гидратации и просветлении. При подготовке тканей, например, часто теряются гликоген и липиды. Все эти искусственные пространства и другие ис- кажения, вызванные процедурой подготовки среза, известны как артефакты. К артефактам относят также складки на срезе (которые могут быть ошибочно при- няты за кровеносные капилляры), осадки красителей (которые можно перепутать с цитоплазматическими гранулами) и многие другие изменения. Студенты должны знать о существовании артефактов и ста- раться распознавать их, чтобы избежать возможных заблуждений, связанных с их появлением. 35
Гистология Рис. 1-30. Вид различных трехмерных структур на тонких срезах. А — различные срезы, проходящие через полый шар и полую трубку. Б — срез, проходящий через одну извитую трубку, может выглядеть как срезы многих отдельных трубок. В — срезы, проходящие через цельный шар (сверху) и через цельный цилиндр (внизу), могут быть очень сходными. Целостное представление о ткани Другой трудностью при исследовании гистологических срезов является неосуществимость дифференциальной окраски всех тканевых компонентов на одном препара- те. Поэтому при изучении клеток с помощью светового микроскопа почти невозможно одновременно увидеть ядра, митохондрии, лизосомы и пероксисомы, базаль- ную мембрану, а также коллагеновые, эластические и ретикулярные волокна. Поэтому для того, чтобы создать представление о целостном составе и структу- ре ткани, необходимо изучить несколько препаратов, окрашенных различными методами. С другой стороны, трансмиссионный электронный микроскоп дает воз- можность изучения клетки со всеми ее органеллами и включениями, а также окружающими компонентами межклеточного вещества. Двухмерные и трехмерные объекты При изготовлении очень тонких срезов трехмер- ного объекта полученные срезы имеют только два измерения — длину и ширину. Это часто приводит исследователей к ошибочным заключениям, если они не понимают, что шар на срезе имеет вид кру- га, а трубка выглядит как кольцо (рис. 1-30). При изучении среза студент должен всегда представлять себе, что, поскольку многие структуры толше среза, некоторые их детали могут отсутствовать на конкрет- ном срезе, располагаясь спереди или сзади от него. Следует также помнить, что структуры в пределах ткани обычно попадают в срез случайно. Для понимания архитектоники органа необходимо изучить срезы, сделанные в различных плоскостях. Иногда правильное представление о сложном орга- не можно получить только путем исследования его серийных срезов и их реконструкции в трехмерном пространстве. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ Alberts В. et al. Molecular Biology of the Cell. — 3rd ed. — Garland, 1994. Bancroft J.D., Stevens A. Theory and Practice of Histological Techniques. — 2nd ed. — Churchill Livingstone, 1990 Cuello A.C.C. Immunocytochemistry. — Wiley, 1983. Darnell J., Lodish H., Baltimore D. Molecular Cell Biology. — 2nd ed. — Scientific American Books. 1990. Hayat M.A. Stainsand Cytochemical Methods. — Plenum. 1993. James J. Light Microscopic Techniques in Biology and Medicine. — Martinus Nijhoff, 1976. Junqueira L.C.U. et al. Differential staining of collagen types I, II and III by Sirius Red and polarization microscopy // Arch. Histol. Jpn. — 1978. — Vol. 41. — P. 267. Meek G.A. Practical Electron Microscopy for Biologists. — Wiley, 1976. Pearse A.G.E: Histochemistry: Theoretical and Applied. — 4th ed. — Churchill Livingstone, 1980. Rochow T.G., Tucker P.A. Introduction to Microscopy by Means of Light, Electrons, X Rays, or Acoustics. — Plenum, 1994. Rogers A.W. Techniques of Autoradiography. — 3rd ed. — Elsevier, 1979. Rubbi C.P. Light Microscopy. Essential Data. — Wiley, 1994. Spencer M. Fundamentals of Light Microscopy. — Cambridge University Press, 1982. Stoward P.J., Polak J.M. (editors). Histochemistry: The Widening Horizons of Its Applications in Biological Sciences. — Wiley, 1981.
ГЛАВА 2 ЦИТОПЛАЗМА Клетки — структурные единицы всех живых орга- низмов. Существуют два принципиально различных типа клеток, однако биохимически они во многом сходны между собой, поэтому некоторые исследо- ватели утверждают, что в ходе эволюции одна группа произошла из другой. Прокариотические (греч. pro — ранее + кагуоп — ядро) клетки обнаруживаются только среди бактерий. Эти клетки мелкие (1—5 мкм в длину), в типичном случае кнаружи от плазмолеммы имеют клеточную стенку, в них нет ядерной оболочки, отделяющей генетический материал (ДНК) от других клеточных компонентов. Кроме того, у прокариот ДНК не связана с гистонами (особые основные белки), а мембранные органеллы обычно отсутствуют. Напротив, эукариотические (греч. ей — хороший + кагуоп — ядро) клетки более крупные и содержат хорошо различимое ядро, окруженное ядерной оболочкой (рис. 2-1). В этих клетках с генетическим материалом связаны гистоны, а в цитоплазме обна- руживаются многочисленные покрытые мембраной (мембранные) органеллы В этой книге речь пойдет исключительно об эукариотических клетках. ДИФФЕРЕНЦИРОВКА КЛЕТОК Организм человека содержит около 200 различных типов клеток, все они произошли из единствен- ной клетки — зиготы, образовавшейся в результа- те оплодотворения яйцеклетки сперматозоидом. В результате первых клеточных делений зиготы обра- зуются клетки — бластомеры, которые способны дать начало всем клеточным типам, имеющимся у взрос- лого. В течение этого процесса, который известен как клеточная дифференцировка, клетки синтезируют осо- бые белки, изменяют свою форму и специализируются на выполнении определенных функций. Например, Отложения восстановлен- ного осмия предшественники мышечных клеток удлиняются, превращаясь в веретеновидные клетки, которые син- тезируют и накапливают белки миофибрилл (актин, миозин). Образующиеся клетки эффективно преобра- зуют химическую энергию в силу сокращения. Главные клеточные функции, выполняемые спе- циализированными клетками в организме, приве- дены в табл. 2-1. ЭКОЛОГИЯ КЛЕТОК Поскольку организм (как в нормальных, так и в пато- логических условиях) испытывает воздействие весьма разнообразных факторов внешней среды, один и тот же тип клеток может проявлять различные признаки и поведение в разных условиях и обстоятельствах. Так, макрофаги и нейтрофилы (оба типа клеток являются Таблица 2-1. Функции некоторых специализирован- ных клеток Функция Специализированные клетки Движение _Мышечные клетки Синтез и секреция (ферментов Клетки ацинусов подже- лудочной железы Синтез и секреция слизи Синтез и секреция стероидов Клетки слизистых желез Некоторые клетки надпо- чечника, яичка и яичника Транспорт ионов Клетки почки и протоков слюнных желез Внутриклеточное 1 переваривание Макрофаги и некоторые лейкоциты крови । Преобразование физичес- | ких и химических сигналов в нервные импульсы Чувствительные (сенсор- ные) клетки Всасывание продуктов обмена Клетки кишки Основные группы ’ фосфолипидов Фосфатные группы фосфолипидов Гидрофильный участок кислот Холестерол Гидрофобный участок Рис. 2-1. Ультраструктура (слева) и молекулярная организация (справа) клеточной мембраны Темные полосы слева — два плотных слоя, которые видны под электронным микроскопом; они обусловлены отложением осмия в гидрофильных участках молекул фосфолипидов. 37
Гистология фагоцитирующими защитными элементами) изменя- ют свой метаболизм от окислительного до гликоли- тического в бескислородных (аноксических) условиях воспалительного очага. Клетки, которые по своей структуре кажутся сходными, могут неодинаково реагировать на воздействия, так как они располагают различными семействами рецепторов сигнальных молекул (таких, как гормоны и макромолекулы меж- клеточного вещества). Некоторые клетки, например фибробласты молочной железы и гладкие мышечные клетки матки, благодаря своему набору рецепторов обладают исключительно высокой чувствительностью к женским половым гормонам. КОМПОНЕНТЫ КЛЕТОК Клетка состоит из двух основных частей: цитоплазмы (греч. kytos — клетка + plasma — образование) и ядра (лат. nucleus тпих — орех, сердцевина). На стандартных гистологических препаратах, окрашенных гематокси- лином и эозином, отдельные компоненты цитоплазмы обычно различимы не слишком хорошо, но ядро окра- шено в интенсивно темно-синий или черный цвет. Цитоплазма Самый наружный компонент клетки, отделяющий цитоплазму от окружающей ее внеклеточной сре- ды, — плазматическая мембрана (плазмолемма)*. Хотя плазматическая мембрана и представляет собой наружную границу клетки, она обеспечивает связь внутреннего содержимого клетки с макромолекула- ми межклеточного вещества. Плазматическая мем- брана содержит белки интегрины, которые связаны как с филаментами цитоскелета цитоплазмы, так и с молекулами межклеточного вещества. Посредс- твом таких связей происходит постоянное двусторон- нее взаимодействие между межклеточным веществом и цитоплазмой. В цитоплазме различают матрикс, или цитозоль, в который погружены органеллы, цитоскелет и включения углеводов, липидов и пигментов. Цитоплазма эукариотических клеток подразделя- ется на несколько отчетливо выраженных отделов (компартментов) посредством мембран, которые регулируют внутриклеточный поток ионов и моле- кул. Эти компартменты концентрируют ферменты и соответствующие субстраты, тем самым повышая эффективность деятельности клетки. Плазматическая мембрана Все эукариотические клетки покрыты ограничи- тельной мембраной, состоящей из фосфолипидов, холестерола (холестерина), белков и олигосахарид- * Международная гистологическая терминология, приня- тая в 2008 г. (далее — МГТ), рекомендует использовать терми- ны «плазмолемма» и «клеточная мембрана». — Примеч. пер. ных цепей, ковалентно связанных с фосфолипидами и белковыми молекулами. Клеточная, или плазма- тическая, мембрана функционирует как избира- тельный барьер, который регулирует перемещение некоторых веществ в клетку и из нее и облегчает транспорт некоторых молекул. Одна из важных фун- кций клеточной мембраны — поддержание посто- янства внутриклеточной среды, которая отличается от внеклеточной жидкости. Мембраны выполняют также ряд специальных функций распознавания и регуляции (обсуждаются далее), тем самым обеспе- чивая взаимодействие клетки с ее окружением. Толщина мембран варьирует от 7,5 до 10 нм, поэто- му они видны только под электронным микроскопом. Линия, которая иногда выявляется между соседними клетками под световым микроскопом, образована мембранами двух соседних клеток и внеклеточными молекулами. Эти три компонента в совокупности достигают таких размеров, что становятся видными под световым микроскопом. На электронных микро- фотографиях обнаруживается, что плазмолемма, как и другие мембраны (например, входящие в состав орга- нелл), после фиксации клеток в четырехокиси осмия имеет трехслойное строение (см. рис. 2-1). Поскольку все мембраны имеют сходный вид, эта трехслойная структура была обозначена термином «элементарная биологическая мембрана» (рис. 2-2). Три слоя, выяв- ляемые под электронным микроскопом, вероятно, образуются в результате отложения восстановленного осмия в области гидрофильных групп, имеющихся на каждой стороне липидного бислоя. Мембранные фосфолипиды, такие, как фосфа- тидилхолин (лецитин) и фосфатидилэтаноламин (кефалин), состоят из двух длинных неполярных Рис. 2-2. Поверхность эпителиальной клетки. Видна эле- ментарная биологическая мембрана, имеющая вид двух темных линий, разделенных светлой полоской. Зернис- тый материал на поверхности мембраны — гликокаликс. Электронная микрофотография, х 100 000. 38
Глава 2. Цитоплазма (гидрофобных) углеводных цепей, связанных с за- ряженными (гидрофильными) группами головок. Холестерол также является компонентом клеточных мембран. В мембранах фосфолипиды наиболее ста- бильны, когда они образуют двойной слой, в котором их гидрофобные (неполярные) цепи направлены к центру мембраны, а их гидрофильные (заряжен- ные) головки обращены кнаружи (см. рис. 2-1). Холестерол нарушает плотную упаковку длинных цепей фосфолипидов, благодаря чему мембрана ста- новится более жидкой. Текучесть мембран в клетке контролируется количеством имеющегося холесте- рола. Липидный состав каждой половины бислоя неодинаков. Например, в красных клетках крови (эритроцитах), фосфатидилхолин и сфингомиелин присутствуют в большем количестве в наружной по- ловине мембраны, тогда как концентрация фосфати- дилсерина и фосфатидилэтаноламинавыше во внут- ренней половине. Некоторые липиды, известные как гликолипиды, содержат олигосахаридные цепочки, которые протягиваются кнаружи от поверхности клеточной мембраны и тем самым способствуют асимметрии липидов (рис. 2-ЗА и 2-4). Белки — главные молекулярные компоненты мембран (составляют около 50% массы плазматичес- кой мембраны) — можно разделить на две группы. Интегральные белки непосредственно включены в липидный бислой, а периферические белки более слабо связаны с поверхностью мембраны. Непрочно связанные периферические белки можно легко экстрагировать из клеточной мембраны солевыми растворами, тогда как интегральные белки можно А Углеводные цепочки, связанные с липидами и белками Рис. 2-3. А — жидкостно-мозаичная модель строения мембраны Мембрана состоит из двойного слоя фосфолипидов с находящимися в нем белками (интегральные белки) или белками, прикрепленными к внутренней и наружной поверхнос- тям мембраны (периферические белки). Интегральные мембранные белки прочно встроены в липидные слои Некоторые из этих белков полностью пронизывают бислой и называются трансмембранными белками, тогда как другие погружены либо в наружный, либо во внутренний листок липидного бислоя. Многие белки и липиды содержат выступающие кнаружи олигосахаридные цепочки. Б — при замораживании клетки и ее раскалывании (замораживании-скалывании, криоф- рактографии) происходит расщепление мембраны. Большая часть мембранных частиц (1) — белки или агрегаты белков, они остаются прикрепленными к половине (листку) мембраны, прилежащей к цитоплазме (Р, или протоплазматическая, поверхность мембраны). Меньшее количество частиц обнаруживается в связи с наружной половиной мембраны (Е, или внеклеточная, поверхность). Каждой белковой частице, которая выступает на одной поверхности, на противоположной поверхности соответствует вдавление (2). Расщепление мембраны происходит по слабому месту — линии, образо- ванной «хвостами» мембранных фосфолипидов, состоящими из жирных кислот, поскольку по этой линии половины мембраны связаны лишь слабыми гидрофобными взаимодействиями. (Воспроизведено с изменениями и с разрешения из Krstic R.V. Ultrastructure of the Mammalian Cell. — Springer-Verlag, 1979). 39
Рис. 2-4. Молекулярная структура плазматической мембраны (схе- матический рисунок). Обратите внимание на трансмембранные белки, пронизывающие мембра- ну однократно или многократно Показан также периферический белок на наружной поверхности мембраны, но белки располага- ются преимущественно на цитоп- лазматической поверхности, как видно на рис. 2-3. (Перерисовано и воспроизведено с разрешения из Junqueira L.C., Carneiro J. Biologia Celular e Molecular. — 6th ed. — Editora Guanabara, 1997.) Углеводная цепочка Углеводная цепочка Трансмембранный белок Трансмембран!—1ый белок выделить только жесткими методами с использова- нием детергентов. Одни интегральные белки прони- зывают мембрану однократно, другие — по нескольку раз, с одной стороны до другой (см. рис. 2-4). Электронно-микроскопические исследования с использованием метода замораживания-скалы- вания показывают, что многие интегральные бел- ки в мембране имеют вид глобулярных молекул, погруженных среди молекул липидов (рис. 2-ЗБ). Некоторые из этих белков лишь частично погру- жены в липидный бислой, так что они могут вы- ступать с наружной или внутренней поверхности. Другие белки достаточно крупные и пронизывают два липидных слоя, выступая с обеих поверхностей мембраны (трансмембранные белки). Углеводные части гликопротеинов и гликолипидов выступают с наружной поверхности плазматической мембра- ны; они входят в состав особых молекул, известных как рецепторы, которые участвуют в таких важных взаимодействиях, как клеточная адгезия, распоз- навание и реакция на белковые гормоны. Как и в случае с липидами, распределение мембранных белков различно на обеих поверхностях клеточных мембран. Поэтому все мембраны в клетке являются асимметричными. Интеграция белков в липидном бислое служит результатом главным образом гидрофобных взаимо- действий между липидами и неполярными амино- кислотами, присутствующими в наружной оболочке интегральных белков. Некоторые интегральные белки жестко не связаны с определенным местом и способны перемещаться в плоскости клеточной мембраны (рис. 2-5). Однако в отличие от липидов большинство мембранных белков ограничены в от- ношении латеральной диффузии вследствие их при- крепления к компонентам цитоскелета. В ботж выпей части эпителиальных клеток латеральыой дифс2г=эузии трансмембранных белков и даже дифэфузии мииемб- ранных липидов наружного листка жтрепятстж вуют плотные соединения (см. главу 4). Мозаичное распределение мембра иных бе=л ikob, в сочетании с текучей природой лип иодного би: с^лоя, является той основой, на которой сфсэрмулир«=г=вана жидкостно-мозаичная модель структурам мсмбрл^аны. представленная на рис. 2-ЗА. Мембранные В елки синтезируются в гранулярной эндопл^азматиче ской сети (грЭПС), образование их молекул i заверш а ается в аппарате Гольджи, далее они транс~портиру^лиотся в пузырьках к поверхности клетки (ри с. 2-6). Под электронным микроскопом ла нару^>Е-<ной поверхности клетки выявляется бог^атый уг^гж: сво- дами слой, имеющий вид пушка,— гликокга—лике (см. рис. 2-2). Этот слой состоит из уг__певодньжт^=к це- пей, связанных с мембранными белкам» и пипинпг ами, а также из выделенных клеткой гликсэпротеиь-1г_ ов и протеогликанов. Гликокаликс играет важную зроль в распознавании клеток и их прикреплении дру- гим клеткам и молекулам межклеточного вещс=с^тва. Плазматическая мембрана является уч-астком, ^^ерез который происходит обмен различными вешлж^ест- вами между клеткой и ее окружением-!. Некот^-с^рые ионы, такие, как Na , К?и Са2+, трано портируй ь—отся через клеточную мембрану через иытегралы— ные мембранные белки с использованием энергии и от расщепления аденозинтрифосфата (^\ТФ). 41 -срез плазматическую мембрану происходит также ма ссо- вый перенос материала. Такой объемный захва- 1 ма- териала известен как эндоцитоз (греч. ei^don — bi i утрь + kytos — клетка). Соответствующее нжименов- ^эние процесса массивного выделения материала — э- кзо- 40
Глава 2. Цитоплазма Рис. 2-5. Эксперимент, демонстрирующий жидкостную природу клеточной мембраны Плазмолемма изображена как две параллельные линии (представляющие липидную часть), в которую погружены белки. В этом эксперименте путем воздействия вируса Сендай произведено слияние двух типов клеток (А -> Б), полученных из тканевых культур [од- ной — с флюоресцентным маркером (справа) и второй — без маркера]. Через несколько минут после слияния мембран флюоресцентный маркер меченой клетки распространяет- ся по всей поверхности слившихся клеток (В). Однако во многих клетках большая часть трансмембранных белков зафиксирована на месте за счет их связи с цитоскелетом. цитоз. Однако на молекулярном уровне экзоцитоз и эндоцитоз являются разными процессами, которые используют различные белковые молекулы. Жидкофазный пиноцитоз При жидкофазном пинопитозе клеточная мембрана формирует мелкие углубления (инвагинации) и захва- тывает внеклеточную жидкость и все, что содержится в ней в виде раствора. Пиноцитозные пузырьки (диамет- ром 80 нм) отщепляются от клеточной поверхности (см. рис. 4-25) и в конечном итоге сливаются с лизо- сомами (см. раздел «Лизосомы» далее в этой главе). В клетках, выстилающих капилляры (эндотелиальных клетках), однако, пиноцитозные пузырьки могут пе- ремещаться к поверхности, расположенной напротив места их образования. Там они сливаются с плазмати- ческой мембраной и выделяют свое содержимое на по- верхность клетки, тем самым осуществляя массивный перенос материала через клетку (см. рис. 11-4). Рецепторно-опосредованный эндоцитоз Рецепторы многих веществ, таких, как липопротеины низкой плотности и белковые гормоны, распола- гаются на клеточной поверхности. Рецепторы либо широко рассеяны по этой поверхности (начальное состояние), либо образуют скопления в особых учас- тках. известных как окаймленные ямки. Связывание лиганда (молекулы с высоким сродством к рецептору) с его рецептором вызывает скопление первоначально широко рассеянных рецепторов в окаймленных ямках (рис. 2-7). Кайма на цитоплазматической поверхнос- ти мембраны состоит из нескольких полипептидов, главным из которых является клатрин. Эти белки образуют сеточку, состоящую из пяти- и шестиуголь- ных элементов, расположение которых напоминает стойки геодезического купола. Окаймленная ямка углубляется, а затем отщепляется от клеточной мем- браны, формируя окаймленный пузырек, который несет в клетку лиганд и его рецептор. Окаймленные пузырьки вскоре теряют свою клатриновую оболочку и сливаются с особыми мембранными структурами — эндосомами. Эндосо- мы — система пузырьков (см. рис. 2-7) и трубочек, расположенных в цитозоле около поверхности клет- ки (ранние эндосомы) или более глубоко в цитоп- лазме (поздние эндосомы). Совместно они образуют эндосомальный компартмент. Вопрос о том, являются ли ранние и поздние эндосомы раздельными струк- турами или одна служит предшественником другой, все еще остается открытым. Мембрана всех эндосом содержит использующие энергию АТФ насосы Нг, которые закисляют их содержимое. Молекулы клат- рина, отделившиеся от окаймленных пузырьков, возвращаются к клеточной мембране и участвуют в формировании новых окаймленных ямок. Молекулы, проникающие в эндосомы, могуттранс- портироваться несколькими путями (см. рис. 2-7). Рецепторы, которые в эндосоме отделяются от своего лиганда вследствие кислых значений pH, способны возвращаться к клеточной мембране и могут исполь- зоваться повторно. Например, рецепторы липопро- теинов низкой плотности (рис. 2-8) подвергаются повторному использованию (рециклированию) по не- скольку раз. Лиганды обычно переносятся в поздние эндосомы. Однако некоторые лиганды возвращаются во внеклеточную среду для повторного использова- ния. Примером такого процесса является транспорт трансферрина — белка, переносящего железо. 41
Гистология Белки каёмки возвра- Окаймленный щаются к клеточной пузырёк поверхности Эндосома ЛНП внутри Лизосома эндосомы Рис. 2-8. Транспорт липопротеинов низкой плотности (ЛНП) в клетку. Захват (интернализация) клетками ЛНП имеет большое значение для поддержания низкой концентрации ЛНП в жидкостях организма. Богатые холестеролом ЛНП связываются с высоким сродством со своими рецепторами на клеточных мембранах. Это связывание активирует образо- вание пиноцитозных пузырьков из окаймленных ямок. Пузырьки вскоре утрачивают свою кайму, которая возвращается к внутренней поверхности плазмолеммы: лишенные каемки пузырьки сливаются с эндосомами. На следующей стадии ЛНП переносятся в лизосомы для переваривания и разделения их компонентов, которые будут использованы клеткой гуанозинтрифосфатом освобождает а-субъединицу G-белка, которая воздействует на другие связанные с мембраной посредники, называемые эффекторами. Часто эффектором служит фермент, который пре- вращает неактивную молекулу предшественника в активный второй посредник, способный диффундиро- вать через цитоплазму и переносить сигнал за пределы клеточной мембраны. Вторые посредники запускают каскад молекулярных реакций, который приводит к изменению поведения клетки. Примеры, приведенные в табл. 2-2, иллюстрируют разнообразие G-белков, присутствующих в различных тканях, и их роль в ре- гуляции важнейших клеточных функций. Передача сигналов внутриклеточными рецепторами Стероидные гормоны представляют собой мелкие гидрофобные (жирорастворимые) молекулы; они транспортируются в крови в комплексе с белками- переносчиками плазмы, с которыми они связаны МЕДИЦИНСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ Установлено, что некоторые болезни обуслов- лены дефектом клеточных рецепторов. Напри- мер, псевдогипопаратиреоз и одна из форм карликовости вызваны нефункционирующими рецепторами паратгормона и гормона роста. В указанных двух состояниях железы выра- батывают соответствующие гормоны, однако клетки-мишени не реагируют на них, потому что у них отсутствуют нормальные рецепторы. Рис. 2-9. Реакции клеток на химические сигналы. Клет- ки реагируют на химические сигналы в соответствии с имеющимся у них набором («библиотекой») рецепторов. На приведенной схеме три клетки имеют разные рецеп- торы, а во внеклеточной среде находятся несколько ли- гандов. которые способны взаимодействовать с соответс- твующими рецепторами. Учитывая то, что внеклеточное окружение содержит множество молекул, важно, чтобы у лигандов и соответствующих им рецепторов имелись комплементарные морфологические свойства и высокое сродство (аффинитет, или аффинность). обратимо. После отделения от своих белков-пере- носчиков они диффундируют через липиды плаз- матической мембраны клетки-мишени и обратимо связываются со специфическими рецепторными 44
Глава 2. Цитоплазма (1) В состоянии покоя G-белки, которые состоят из субъединиц альфа (а), бэта (Р) и гамма (у), связаны с нуклеотидом гуанозиндифосфатом (ГДФ) и не контактируют с рецепторами. (2) При связывании гормона или другого первого посредника с рецептором последний воздействует на G-белок, в котором ГДФ замещается нуклеоти- дом гуанозинтрифосфатом (ГТФ), который активирует G-белок. (4) Через несколько секунд а-субъединица превращает ГТФ в ГДФ, в результате чего она инакти- вируется. После этого а-субъединица будет вновь связываться с комплек- сом р- и у-субъединиц. (3) Далее G-белок диссоциирует, после чего связанная с ГТФ а-субъединица диффундирует по мембране и связывается с эффектором, активи- руя его. Реакция запускается. Рис. 2-10. Регуляция G-белками активности эффектора (схема). (Перепечатано с изменениями и с разрешения из Linder М., Gilman A.G. G proteins // Sci. Am. — 1992. - Vol. 267. — P. 56.) белками стероидных гормонов в цитоплазме или ядре. Связывание гормона активирует рецептор, вызывая его высокоаффинное связывание со специ- фическими последовательностями ДН К; это в целом повышает уровень транскрипции определенных генов. Каждый стероидный гормон распознается различным представителем семейства гомологичных рецепторных белков. Тиреоидные гормоны являются видоизмененными липофильными аминокислота- ми, которые также воздействуют на внутриклеточные рецепторы. Митохондрии Митохондрии (греч. mitos— нить + chondros— зер- но) — сферические или нитевидные органеллы шириной 0.5—1 мкм, длина которых может дости- гать 10 мкм (рис. 2-11). Они обычно накапливаются в тех участках цитоплазмы, где энергия используется наиболее интенсивно, как, например, в апикальных частях реснитчатых клеток (см. рис. 17-3), в среднем сегменте сперматозоидов (см. рис. 21-10) или в базаль- ной части клеток, переносящих ионы (см. рис. 4-25). Эти органеллы преобразуют химическую энергию продуктов обмена, имеющихся в цитоплазме, в энер- гию, легко доступную клетке. Около 50% этой энергии запасается в виде высокоэнергетических фосфатных связей в молекулах АТФ, а остальные 50% рассеива- ются в виде тепла для поддержания температуры тела. Благодаря активности фермента АТФазы, АТФ быст- ро выделяет энергию, когда это необходимо клетке для выполнения любого типа работы — осмотической, механической, электрической или химической. Митохондрии обладают характерной ультраструк- турой (рис. 2-12 и 2-1 ЗА). В их состав входят наружная и внутренняя митохондриальные мембраны; внутренняя мембрана образует складки, выступающие в глубь митохондрии, — кристы. Эти мембраны ограничивают два компартмента. Первый из них расположен между двумя мембранами — это межмембранное пространс- тво. Второй компартмент ограничен внутренней мембраной — это пространство между кристами, или 45
Гистология Таблица 2-2. Примеры физиологических эффектов, опосредованных G-белками* Стимул Реагирующий тип клеток G-белок Эффектор Эффект Адреналин, глюкагон Клетки печени Gs Аденилатциклаза Распад гликогена Адреналин, глюкагон Жировые клетки Gq Аденилатциклаза Распад жира Лютеинизирующий гормон Фолликулы яичника Gs Аденилатциклаза Усиление синтеза эстрогенов и прогестерона Антидиуретический гормон Клетки почки Gs Аденилатциклаза Сохранение воды почкой Ацетилхолин Клетки сердечной мышцы Gi Калиевый канал Замедление сердцебиения и снижение сократительной силы Энкефалины, эндор- фины, опиоиды Нейроны головного мозга G/Go Кальциевые и калие- вые каналы, аденилатциклаза Изменение электрической актив- ности нейронов Ангиотензин Гладкие мышечные клетки в кровеносных сосудах Gq Фосфолипаза С Сокращение мышц; повышение кровяного давления Одоранты (вещества, обусловливающие запахи) Нейроэпителиальные клетки в полости носа G0lf Аденилатциклаза Обнаружение одорантов Свет Палочковые и колбочковые клетки в сетчатке глаза G, цГМФ, фосфодиэстераза Обнаружение зрительных сигналов Феромоны Пекарские дрожжи GPA1 Неизвестен Половое размножение ’ Воспроизведено с разрешения из Under М., Gilman A.G. G proteins // Sei Am. — 1992. — Vol. 267. — P. 56. Рис. 2-11. Выстилка желудка. Крупные клетки содержат в цитоплазме многочисленные круглые и удлиненные митохондрии. Отчетливо видны также центрально распо- ложенные ядра. Большое увеличение. Рис. 2-12. Трехмерное изображение митохондрии. Видны кристы, выступающие в пространство матрикса. Обратите внимание, что стенку митохондрии образуют две мембра- ны, окружающие межмембранное пространство. Кристы покрыты глобулярными структурами, которые участвуют в выработке АТФ пространство матрикса По сравнению с другими мембранами клетки митохондриальные мембраны содержат очень большое количество белковых моле- кул. У большинства митохондрий кристы плоские и по форме сходны с выступающими внутрь полками (см. рис. 2-12 и 2-1 ЗА), тогда как клетки, секретиру- ющие стероиды (например, клетки надпочечников; см. главу 4), часто содержат тубулярные (имеющие вид трубочек) кристы (рис. 4-36). Кристы увеличивают внут- реннюю площадь поверхности митохондрии и содержат ферменты и другие компоненты систем окислительного фосфорилирования и транспорта электронов. Система фосфорилирования аденозиндифосфата (АДФ) до АТФ локализована в глобулярных струк- 46
Глава 2. Цитоплазма Б Рис. 2-13. Структурная лабильность митохондрий. А — клетка поджелудочной железы крысы. В центре — митохондрия с мембранами, кристами (К) и матриксом (М). Видны также многочисленные уплощенные цистерны гранулярной эндо- плазматической сети (грЭПС) с рибосомами на их цитоплазматической поверхности Электронная микрофотография, х 50 000. Б — поперечнополосатая мышца пациента с митохондриальной миопатией. Митохондрии (стрелки) резко изменены, в них определяется выраженное набухание матрикса. Электронная микрофотография. турах, связанных с внутренней мембраной цилинд- рическими ножками* (см. рис. 2-12). Глобулярные структуры представляют собой комплекс белков с активностью АТФ-синтетазы. которая в присутс- твии АДФ. неорганического фосфата и энергии образует АТФ. Согласно хемиосмотической теории, синтез АТФ происходит за счет потока протонов через эту глобулярную структуру (рис. 2-14). Число митохондрий и содержание крист в каждой митохондрии связаны с энергетической активностью гой клетки, в которой они расположены. Так, клет- ки с высоким энергетическим обменом (например, клетки сердечной мышцы, клетки некоторых почеч- ных канальцев) имеют многочисленные митохонд- рии с большим числом плотно упакованных крист, тогда как клетки с низким энергетическим обменом содержат лишь небольшое количество митохондрий с короткими кристами. Между кристами располагается богатый белками аморфный матрикс, содержащий кольцевые молеку- ла ДНК и три варианта РНК. В клетках различных типов в митохондриальном матриксе выявляются также округлые электронно-плотные гранулы с высо- ким содержанием Са2+. Хотя функция этого катиона в митохондриях ясна не полностью, он может играть важную роль в регуляции активности некоторых митохондриальных ферментов; другая его функцио- * Для обозначения этих структур МГТ рекомендует терми- ны «грибовидная частица» или «элементарная частица». — Иримеч. пер. нальная роль связана с необходимостью поддержания низкой концентрации Са2+в цитозоле. Митохондрии закачивают внутрь себя Са2+ при его высоких кон- центрациях в цитозоле. В пространстве матрикса на- ходятся ферменты цикла лимонной кислоты (цикла Кребса) и р-окисления жирных кислот. ДНК, выделенная из митохондриального мат- рикса, является двухцепочечной и имеет кольцевую структуру, очень сходную с таковой в хромосомах бактерий. Эти нити синтезируются в митохондрии; их редупликация протекает независимо от реплика- ции ядерной ДНК. Митохондрии содержат три типа РНК: рибосомальную РНК (рРНК), информацион- ную РНК (иРНК) и транспортную РНК (тРН К) Ми- тохондриальные рибосомы имеют меньшие размеры, чем рибосомы, расположенные в цитозоле, и сходны с бактериальными рибосомами. В митохондриях происходит белковый синтез, но из-за небольшого количества митохондриальной ДНК только малая доля митохондриальных белков вырабатывается мес- тно. Большая же их часть кодируется ядерной ДНК и синтезируется на полирибосомах, расположенных в цитозоле. Эти белки содержат небольшую последо- вательность аминокислот, которая служит сигналом об их митохондриальном назначении, причем они транспортируются в митохондрии посредством ме- ханизма, потребляющего энергию. Начальное расщепление углеводов и жиров про- исходите цитоплазматическом матриксе. Конечным метаболическим продуктом этих внемитохондриаль- 47
Гистология Наружная митохондриальная мембрана Межмемб- ранное пространс- тво . Н* + Н н+ н+ н+ Н+ . ы+ н Н Н+ н Поток протонов из матрикса в межмембранное пространство за счет транспорта электронов АТФ Пространство между кристами Ретроградный поток протонов без синтеза АТФ Н+ Н+ Н4 н АДФ + Pi н+ Электронтранспортная система н++ н+ н+ Термоген ин v н+ н+< Н+ н+ Н н+ н н+ + н + Н+ н I Внутренняя митохондриальная мембрана Обратный поток в матрикс____ Синтез АТФ в глобулярной структуре с использованием энергии, полученной от обратного потока протонов Рис. 2-14. Хемиосмотическая теория преобразования энергии в митохондрии. В середине: поток протонов направля- ется из матрикса в межмембранное пространство за счет энергии, получаемой от электронтранспортной системы на внутренней мембране. Слева: половина энергии, получаемой от обратного тока протонов, идет на образование АТФ; оставшаяся энергия преобразуется в тепло. Справа: белок термогенин. присутствующий в многокапельной жировой ткани, образует шунт, способствующий оттоку протонов. Вследствие этого оттока энергия рассеивается в виде тепла, и АТФ не вырабатывается (см. главу 6). ных путей обмена веществ является ацетил коэнзим А, который далее попадает в митохондрии. Внутри митохондрий ацетилкоэнзим А взаимодействует с оксалоацетатом, образуя лимонную кислоту. В цикле лимонной кислоты в результате нескольких реакций декарбоксилирования образуется углекислый газ, а специфические реакции, катализируемые дегидро- геназой, приводят к удалению четырех пар ионов Н . Ионы Н+ в конечном итоге реагируют с кислородом, формируя воду. Благодаря активности цитохромов а, Ьис, кофермента Q и цитохромоксидазы, электронт- ранспортная система, расположенная на внутренней митохондриальной мембране, выделяет энергию, которая захватывается в трех участках этой системы путем образования АТФ из АДФ и неорганического фосфата. В аэробных условиях сочетанная активность внемитохондриального гликолиза и цикла лимонной кислоты, а также электронтранспортной системы дает 36 молекул АТФ на одну молекулу глюкозы. Это в 18 раз превышает количество энергии, получаемое в анаэробных условиях, когда может использоваться только гликолитический путь. В процессе митоза каждая дочерняя клетка получа- ет примерно половину митохондрий, первоначально МЕДИЦИНСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ Описаны несколько болезней, обусловленных недостаточной деятельностью митохондрий, причем большинство из них характеризует- ся нарушением функции мышц. Вследствие высокой активности энергетического обмена к митохондриальным дефектам очень чувс- твительны волокна скелетных мышц. Мутации ДНК или дефекты, которые могут возникать в митохондриях или клеточном ядре, вызывают митохондриальные болезни. Наследование митохондрий осуществляется по материнской линии, так как в цитоплазме зиготы митохон- дрии сперматозоида остаются в единичном числе или исчезают вовсе1. В случае дефектов ядерной ДНК их наследование может проис- ходить от любого из родителей или от обоих родителей. Обычно при таких болезнях в митохондриях выявляются морфологические изменения (рис. 2-13, Б). 48
Глава 2, Цитоплазма имевшихся в материнской клетке. Новые митохон- дрии образуются из ранее имевшихся посредством роста и последующего разделения (расщепления) самой органеллы. Тот факт, что митохондрии обладают некоторыми характеристиками, общими с бактериями, привел к гипотезе, согласно которой митохондрии про- изошли из первоначально существовавших аэробных прокариот, адаптировавшихся к эндосимбиотичес- кой жизни внутри эукариотической клетки-хозяина (внутриклеточному симбиозу) Рибосомы Рибосомы представляют собой мелкие электронно- плотные частицы размером примерно 20 х 30 нм. Они состоят из четырех типов рРНК и почти 80 различных белков. Существуют два класса рибосом. Один класс обнаруживается у прокариот, в хлоропластах и митохондриях, другой — встречается в эукариоти- ческих клетках. Оба класса рибосом состоят из двух субъединиц различного размера. В эукариотических клетках молекулы РНК обеих субъединиц образуются в ядре. Их многочисленные белки синтезируются в цитоплазме, после чего пере- носятся в ядро и связываются с рРНК. Субъединицы затем покидают ядро через ядерные поры, попадают в цитоплазму и участвуют в синтезе белка. Рибосомы характеризуются интенсивной базофили- ей вследствие присутствия многочисленных фосфатных групп в составляющих их рРНК, которые обладают свойствами полианионов. Поэтому участки цитоп- лазмы, которые содержат много рибосом, интенсивно окрашиваются основными красителями, такими, как метиленовый и толуидиновый синий. Эти базофильные участки окрашиваются также и гематоксилином. Отдельные рибосомы (рис. 2-15, А) удержива- ются вместе нитью иРНК, при этом образуются полирибосомы (полисомы). Информация, пере- носимая иРНК, является кодом, обозначающим последовательности аминокислот белков, синте- зируемых клеткой. При этом рибосомы играют важную роль в декодировании (расшифровке), или переводе (трансляции), этого сигнала в ходе белкового синтеза. Белки, которые предназначены для последующего использования внутри клетки и остающиеся в цитозоле (например, гемогло- бин в незрелых эритроцитах), синтезируются на полирибосомах, располагающихся в цитоплазме в виде изолированных скоплений. Полирибосомы, прикрепленные к мембранам ЭПС (посредством их большой субъединицы), транслируют иРНК, кото- рые кодируют белки, подвергающиеся сегрегации в цистернах ЭПС (рис. 2-15, Б). Эти белки могут секретироваться (например, ферменты поджелудоч- ной и слюнных желез) или накапливаться в клетке (например, ферменты лизосом, белки гранул белых кровяных клеток — лейкоцитов). Помимо этого, на полирибосомах, прикрепленных к мембранам ЭПС, синтезируются интегральные белки плазма- тической мембраны (см. рис. 2-6). Б Связанные рибосомы; синтез и сегрегация белка в гранулярной эндоплазматической сети Свободные полирибосомы, синтезированные ими белки остаются в цитоплазме Мембрана цистерны Белок, сегреги- рованный в эндоплазма- тической сети Свободный белок в цитоплазме Рис. 2-15. Синтез белка в клетке (схема). А — клетки, синтезирующие белки (изображены в виде спиралей), которые должны остаться в цитоплазме, содержат свободные (т.е. не связанные с эндоплазматической сетью) полирибосомы. Б — при сегрегации белков в эндоплазматической сети и их возможном выделении из цитоплазмы (экспорт белков) происходит не только связывание полирибосом с мембранами гранулярной эндоплазматической сети (грЭПС), но и перемещение образуемых ими белков в полость этой органеллы через ее мембрану. Указанным путем от цитоплазмы отделяются белки, способные оказать на нее нежелательное действие (особенно ферменты, такие, как рибонуклеазы и протеазы). 49
Гистология Эндоплазматическая сеть Цитоплазма эукариотических клеток содержит анастомозирующую сеть, которую образуют со- общающиеся между собой цистерны — структуры в виде канальцев и мешочков. Их стенка состоит из непрерывной мембраны, ограничивающей нахо- дящиеся внутри пространства. На срезах цистерны кажутся изолированными, однако при использовании микроскопии целых клеток с высоким разрешением обнаруживается, что они связаны между собой. Эта мем- бранная система называется эндоплазматическая сеть (ЭПС) (рис. 2-16). Во многих ее участках цитозольная сторона мембраны покрыта полирибосомами, синте- зирующими белковые молекулы, которые переносятся внутрь цистерн. На основании этого признака описаны два типа ЭПС — гранулярная и агранулярная. Гранулярная эндоплазматическая сеть ГрЭПС (англоязычная аббревиатура — RER — от rough endoplasmic reticulum) хорошо развита в клетках, специализированных на секреции белков, таких, как клетки ацинусов поджелудочной железы (пищеварительные ферменты), фибробласты (колла- ген) и плазматические клетки (иммуноглобулины). ГрЭПС состоит из мешковидных и собранных в стоп- ки плоских цистерн (см. рис. 2-13), ограниченных мембранами, которые переходят в наружную мемб- рану ядерной оболочки. Термин «грЭПС» указывает на присутствие полирибосом на цитозольной повер- Рис. 2-16. Эндоплазматическая сеть (схема). Эта органелла представлена анастомозирующей сетью сообщающихся между собой канальцев и мешочков, образованных непре- рывной мембраной. Обратите внимание, что агрануляр- ная эндоплазматическая сеть (аЭПС, передний план) не содержит рибосом. Рибосомы имеют вид мелких темных пятнышек, расположенных на гранулярной эндоплазма- тической сети (грЭПС; задний план). Цистерны аграну- лярной сети трубчатые (тубулярные), в гранулярной сети они имеют вид уплощенных мешочков. Рис. 2-17. Участок гранулярной эндоплазматической сети (грЭПС; схема). Показана форма цистерн, на кото- рых находятся многочисленные рибосомы, образующие полирибосомы. Следует помнить, что на срезах, сделан- ных для электронной микроскопии, цистерны выглядят разделенными, однако в действительности они образуют непрерывную структуру в виде туннеля в цитоплазме. хности мембраны этой органеллы (рис. 2-16 и 2-17). Наличие полирибосом также придает базофильные тинкториальные свойства этой органелле при изуче- нии клеток под световым микроскопом. Главной функцией грЭПС является отделение (сегрегация) белков, не предназначенных для нахож- дения в цитозоле. Дополнительные функции вклю- чают начальное гликозилирование гликопротеинов, синтез фосфолипидов, сборку многоцепочечных белков и некоторые посттрансляционные модифи- кации вновь образованных полипептидов. Весь синтез белков начинается на полирибосо- мах, не прикрепленных к ЭПС. В молекулах и PH К белков, которые должны сегрегироваться в ЭПС, со- держится добавочная последовательность оснований на 5’-конце. Она кодирует около 20—25 преимущес- твенно гидрофобных аминокислот, образующих так называемый сигнальный пептид. После трансляции сигнальный пептид взаимодействует с комплексом, состоящим из шести неидентичных полипептидов и молекулы 7S РНК, который известен как сигнал- распознающая частица (СРЧ). СРЧ препятствует дальнейшему удлинению полипептида до тех пор, пока комплекс СРЧ—полирибосома не свяжется с рецептором СРЧ и рецептором рибосом на мем- бране грЭПС. Рецептором СРЧ является особый причальный белок. После связывания с причальным белком СРЧ отделяется от полирибосом, обусловли- вая продолжение трансляции (рис. 2-18). Уже в просвете грЭПС специфический фермент, называемый сигнальной пептидазой, расположен- ный на внутренней поверхности грЭПС, удаляет сигнальный пептид. Трансляция белка продол- жается и сопровождается происходящими внутри цистерны вторичными и третичными структурными 50
Глава 2. Цитоплазма СРЧ пептиду СРЧ связывает рибосому с причальным Трансляция белком на грЭПС возобновляется отделяется СРЧ, прикрепленная к сигнальному иРНК тРНК Цистерна грЭПС Новый полипептид Растущий полипептид --- Рецептор рибосом Рецептор СРЧ (причальный белок) Рис. 2-18. Транспорт белков через мембрану гранулярной эндоплазматической сети (грЭПС). Рибосомы связываются с иРНК, а к сигнальному пептиду первоначально прикрепляется сигнал-распознающая частица (СРЧ). Рибосомы свя- зываются с мембраной грЭПС, взаимодействуя с рецептором СРЧ (причальным белком) и рецептором рибосом Далее сигнальный пептид удаляется сигнальной пептидазой (не показана). Эти взаимодействия вызывают открытие поры, через которую белок направляется в грЭПС. Мембрана грЭПС изменениями его молекулы, а также некоторыми посттрансляционными модификациями, такими, как гидроксилирование, гликозилирование, суль- фатирование и фосфорилирование. Белки, синте- зированные в грЭПС, могут иметь несколько мест назначения: они могут храниться внутри клеток (например, в лизосомах и специфических гранулах лейкоцитов), временно накапливаться внутри клеток (белки, предназначенные на экспорт, например, в поджелудочной железе, некоторых эндокринных клетках), служить в качестве компонента других мем- бран (например, интегральные белки). На рис. 2-19 показано несколько типов клеток, синтезирующих белки, назначение которых отчетливо различается Агранулярная эндоплазматическая сеть Агранулярная (гладкая) ЭПС (аЭПС, англоязычная аббревиатура — SER — от smooth endoplasmic reticulum) также имеет вид мембранной сети внутри клетки; од- нако по своей ультраструктуре она имеет два отличия от грЭПС. Во-первых, аЭПС не содержит ассоцииро- ванных с ней полирибосом, которые характерны для грЭПС. Поэтому поверхность мембран аЭПС гладкая, а не шероховатая. Во-вторых, ее цистерны имеют более трубчатую (тубулярную) форму и выглядят, скорее, как множество соединенных между собой канальцев раз- л ичной формы и размера, а не как стопки уплощенных цистерн (см. рис. 2-16 и 4-36). Обнаружено, что аЭПС плавно переходит в грЭПС (см. рис. 2-16). Установлено, что аЭПС участвует в выполнении разнообразных специализированных функций. В клетках, синтезирующих стероидные гормоны (на- пример, в клетках коры надпочечника), аЭПС занима- ет большую часть цитоплазмы и содержит некоторые ферменты, необходимые для синтеза стероидов (см. рис. 4-36). В клетках печени аЭПС хорошо развита, в них она отвечает за процессы окисления, конъюги- рования и метилирования, которые используются печенью для разрушения некоторых гормонов и ней- трализации вредных веществ, таких, как барбитураты. Другой важной функцией аЭПС является синтез фосфолипидов для всех мембран клетки. Молекулы фосфолипидов переносятся от аЭПС к другим мем- бранам (1) пузырьками, которые отделяются от этой органеллы и перемещаются вдоль элементов цитоске- лета посредством моторных белков, (2) через прямые сообщения с грЭПС или (3) белками-переносчиками (рис. 2-20). В аЭПС содержится фермент глюкозо-6- фосфатаза, который участвует в утилизации глюкозы, образующейся из гликогена в клетках печени. Этот фермент обнаруживается также в грЭПС, что является примером отсутствия абсолютного разграничения фун- кций между этими органеллами. Известно, что аЭПС участвует также в процессе мышечного сокращения, причем в мышечных клетках она имеет особую форму и известна как саркоплазматическая сеть. Последняя обеспечивает изоляцию (секвестрацию) и выделение ионов кальция, которые регулируют мышечное сокра- щение (см. главу 10). 51
А. Эритробласт Б. Эозинофильный лейкоцит Рис. 2-19. Несколько типов клеток, синтезирующих белки различного назначения. Ультраструктура клетки, синтезирующей белки на свободных полирибосомах (но не секрети- рующей их) (А); клетки, которая синтезирует, сегрегирует и накапли- вает белки в органеллах (Б); клетки, синтезирующей, сегрегирующей и непосредственно экспортирующей белки (В); а также клетки, синте- зирующей, сегрегирующей, накап- ливающей белки в надъядерных гранулах и экспортирующей их (Г). В. Плазматическая клетка Г. Клетка ацинуса поджелудочной железы Комплекс Гольджи (аппарат Гольджи) В комплексе Гольджи завершаются посттран- сляционные модификации продуктов, синте- зируемых клеткой, происходит их упаковка и маркируется место их назначения («адрес»). Эту органеллу образуют гладкие цистерны, состоящие из мембран (рис. 2-21 — 2-23). В резко поляризованных клетках, таких, как секретирующие слизь бокаловид- ные клетки (см. рис. 4-31), комплекс Гольджи занимает характерное положение в цитоплазме — между ядром и апикальной плазматической мембраной. В большинстве клеток комплекс Гольджи также обладает структурной и функциональной полярнос- тью. Иногда видно, что вблизи комплекса Гольджи от грЭПС отщепляются мелкие пузырьки (транспор- тные пузырьки), которые переносят вновь синтези- рованные белки к комплексу Гольджи для дальней- шей обработки (процессинга). Цистерна комплекса Гольджи, ближайшая к этому участку, называется формирующейся, выпуклой, или цис-поверхностью. На противоположной стороне комплекса Гольджи, которая является созревающей, вогнутой, или транс- поверхностью, накапливаются крупные пузырьки — конденсирующие вакуоли (см. рис. 2-21). Эти структуры отпочковываются от цистерн комплекса Гольджи, в результате чего образуются пузырьки, транспортирующие белки в различные Белок, транспортирующий фосфолипиды, в загружен- ном состоянии Цитозоль Белок, транспортирующим фосфолипиды, в незагру- женном состоянии Мембрана с низким содержанием фосфолипидов Мембрана аЭПС (с высоким содержанием фосфолипидов) Рис. 2-20. Схема транспортирующего фосфолипиды амфи- патического белка. Молекулы фосфолипидов транспорти- руются из богатых липидами мембран (аЭПС) к мембра- нам, бедным липидами. (Перерисовано и воспроизведено с разрешения из Junqueira L.C., Carneiro J. Biologia Celular e Molecular. — 6th ed. — Editora Guanabara, 1997.) участки клетки. С помощью цитохимических методов и электронной микроскопии показано, что цистер- ны комплекса Гольджи содержат разные ферменты на различных уровнях между цис- и транс-поверхнос- 52
Глава 2. Цитоплазма Транс- (созревающая) поверхность Цис- (формирующаяся) поверхность Рис. 2-21. Трехмерное изображение комплекса Гольджи. Посредством транспортных пузырьков, которые слива- ются с цис-поверхностью комплекса Гольджи, он получает несколько типов молекул, образовавшихся в гранулярной эндоплазматической сети (грЭПС). После обработки (про- цессинга) в комплексе Гольджи эти молекулы выделяются с его транс-поверхности в более крупных пузырьках, входя в состав секреторных пузырьков, лизосом или других ци- топлазматических компонентов. тями. Показано также, что комплекс Гольджи играет важную роль в гликозилировании, сульфатировании, фосфорилировании и ограниченном протеолизе белков Более того, в комплексе Гольджи начинается упаковка, концентрирование и хранение секретор- ных продуктов. На рис. 2-23 представлен обзор ныне принятых представлений относительно переноса материалов через комплекс Гольджи. Лизосомы Лизосомы являются органеллами, которые обеспечивают внутриклеточное перевари- вание и обновление клеточных компонен- тов. Лизосомы (греч. lysis — растворение, разрушение + soma — тело) представляют собой мембранные пузырьки, содержащие широкий спектр (более 40) гидролитических ферментов, чья основная функция заключается во внутри цитоплазматическом переваривании (рис. 2-24 — 2-26). Л изосомы особенно многочисленны в клетках, обладающих фагоцитарной активностью (например, в макрофагах, нейтрофиль- грЭПС аЭПС Клеточная мембрана Клеточная мембрана Транс- поверхность Цис- поверх- ность Рис. 2-22. Комплекс Гольджи клетки, вырабатывающей слизь. Справа располагается цистерна (стрелка) гранулярной эндоплазматической сети (грЭПС), содержащая зернистый материал. Вблизи нее находятся мелкие пузырьки, заполнен- ные этим материалом. Это — цис-поверхность комплекса. В центре лежат уплощенные и собранные в стопку цистерны комплекса Гольджи. На концах цистерн можно наблюдать расширенные участки. Эти расширенные участки постепенно отделяются от цистерн и сливаются, образуя секреторные гранулы (1,2 и 3). Это — транс-поверхность Около плазма- тической мембраны двух соседних клеток находится эндоплазматическая сеть с ее агранулярной (аЭПС) и гранулярной (грЭПС) частями. Электронная микрофотография, хЗО ООО. Врезка: комплекс Гольджи в клетках придатка яичка после импрегнации серебром срезов толщиной 1 мкм, х!200. 53
Гистология Мембранные белки Секреция 1. Упаковка — 2. Конденсация 3. Конечный протеолиз 4. Специфическое распределение 1. Модификация сахаридных цепочек гликопротеинов и протеогликанов 2. Сульфатирование 1. Фосфорилирование____ лизосомальных гликопротеинов 1.Трансляция __________ 2. Сегрегация 3. Удаление сигналь- ного пептида 4. Начальное гликозилирование Ядро: синтез иРНК, тРНКирРНК Секреторная гранула Лизосома Присоединение галактозы Комплекс Гольджи Транспортные пузырьки — Сеть транс- Гольджи г— Сеть цис-Гольджи Пузырьки, транспор- тирующие вещества из грЭПС в комплекс Гольджи Полирибосома Комп- лекс Голь жи Удаление маннозы и присоединение N-ацетилглюкозамина Удаление маннозы грЭПС Гранулярная эндоп- лазматическая сеть Рис. 2-23. Основные явления, происходящие при переносе белков через комплекс Гольджи и их сортировке. Слева пронумерованы важнейшие молекулярные процессы, протекающие в указанных компартментах Обратите внимание на то, что маркировка лизосомальных ферментов начинается на ранних стадиях в цис-сети Гольджи. В транс-сети Гольджи гликопротеины связываются со специфическими рецепторами, которые направляют их в места назначения. В левой части рисунка показан обратный поток мембран от комплекса Гольджи к эндоплазматической сети. (Перерисовано и воспроиз- ведено с разрешения из Junqueira L.C., Cameiro J. Biologia Celular e Molecular. — 6th ed. — Editora Guanabara, 1997.) ных лейкоцитах). Хотя природа и активность лизосо- мальных ферментов варьируют в зависимости от типа клеток, наиболее распространенными ферментами являются кислая фосфатаза, рибонуклеаза, дезок- сирибонуклеаза, протеазы, сульфатазы, липазы и 0-глюкуронидаза. Как можно увидеть из этого списка, лизосомальные ферменты способны разрушать боль- шинство биологических макромолекул. Лизосомаль- ные ферменты обладают оптимальной активностью при кислых значениях pH. Лизосомы обычно имеют сферическую форму, их диаметр варьируют от 0,05 до 0,5 мкм; на элект- 54
Глава 2. Цитоплазма Рис. 2-24. Почечный каналец. Узкий просвет канальца имеет вид длинной щели в центре. Многочисленные темноокрашенные цитоплазматические гранулы — это лизосомы (Л) — органеллы, в большом количестве при- сутствующие в клетках почки. На фотографии клеточные ядра (Я) видны кактемноокрашенные структуры, в некото- рых из них выявляется ядрышко. Окраска: толуидиновый синий. Большое увеличение. ронных микрофотографиях они имеют вид равно- мерно зернистых, электронно-плотных структур. В небольшом числе клеток, таких, как макрофаги и нейтрофильные лейкоциты, первичные лизо- сомы крупнее (диаметром до 0,5 мкм) и поэтому уже немного заметны под световым микроскопом. Мембрана лизосом отделяет литические ферменты от цитоплазмы, предотвращая атаку лизосомальных ферментов и переваривание ими компонентов ци- топлазмы. Тот факт, что лизосомальные ферменты практически неактивны при pH цитозоля (-7,2), служит дополнительным фактором защиты клетки против утечки лизосомальных ферментов. Лизосомальные ферменты синтезируются и сег- регируются в грЭПС, а в дальнейшем переносятся в комплекс Гольджи, где ферменты подвергаются модификации и упаковываются в лизосомы. К фер- ментам прикреплены олигосахариды, содержащие один или несколько маннозных остатков, фосфо- рилированных в положении 6’ фосфотрансферазой. В грЭПС и комплексе Гольджи имеются рецепторы белков, содержащих маннозо-6-фосфат, которые обеспечивают отделение этих белков от главного секреторного пути и их сегрегацию в лизосомы. Лизосомы, которые еще не вступили в процесс переваривания, известны как первичные лизосомы. Лизосомы могут переваривать материал, попав- ший в клетку из ее окружения. Материал захва- тывается в фагосому, или фагоцитарную вакуоль (рис. 2-27), затем первичные лизосомы сливаются с мембраной фагосомы и выделяют свои гидролити- ческие ферменты в вакуоль. Образовавшаяся слож- ная структура — вторичная лизосома — обеспечивает последующий процесс переваривания. Диаметр вторичных лизосом обычно составляет 0,2—2 мкм, под электронным микроскопом они имеют неоднородную структуру из-за значительного разнообразия перевариваемых ими материалов. После переваривания содержимого вторичной ли- зосомы питательные вещества диффундируют сквозь пограничную мембрану лизосомы и поступают в ци- тозоль. Неперевариваемые соединения сохраняются внутри вакуолей, которые теперь получают другое название — остаточные тельца (рис. 2-27 и 2-28). В некоторых долгоживущих клетках (например, в нейронах, клетках сердечной мышцы) накапливают- ся значительные количества остаточных телец, кото- рые содержат липофусцин, или пигмент старения Другая функция лизосом связана с обновлением органелл цитоплазмы. В определенных условиях мембрана может окружать органеллы или участки цитоплазмы. Далее с этими структурами сливаются первичные лизосомы, которые начинают разруше- ние окруженного мембраной участка цитоплазмы. Получающиеся таким путем вторичные лизосомы известны как аутофагосомы (греч. autos — сам + phagein — поедать + soma — тело); это название ука- зывает на то, что их содержимое имеет внутрикле- точное происхождение. Переваривание цитоплазмы аутофагосомами усиливается в секреторных клетках, которые накопили избыток секреторного продукта. Переваренные продукты лизосомального гидролиза повторно используются клеткой, подвергаясь реути- лизации в ее цитоплазме. МЕДИЦИНСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ В некоторых случаях первичные лизосомы вы- деляют свое содержимое за пределы клеток, в результате чего их ферменты действуют в меж- клеточном пространстве. В качестве примера можно сослаться на разрушение костного мат- рикса коллагеназами, которые синтезируются и выделяются остеокластами в ходе нормального 55
Гистология Рис. 2-25. Макрофаг. Обра- тите внимание на выражен- ные цитоплазматические выросты (стрелки). В центре находится центриоль (Ц), окруженная цистернами комплекса Гольджи (Г). В большом числе содержатся вторичные лизосомы (Л) Электронная микрофотог- рафия, х15 ООО. формирования костной ткани (см. главу 8). Лизо- сомальные ферменты, действующие в межкле- точном пространстве, также играют важную роль в реакциях на повреждение и при воспалении. Несколько возможных процессов, связанных с активностью лизосом, схематически представ- лены на рис. 2-27. Лизосомы играют важную роль в обмене неко- торых веществ в организме человека, поэтому многие болезни связывают с недостаточостью лизосомальных ферментов. Так, при метахрома- тической лейкодистрофии происходит внутрик- леточное накопление сульфатированных цереб- розидов, вызванное отсутствием лизосомальных сульфатаз. Большая часть этих болезней связана либо с отсутствием специфического лизосомаль- ного фермента, либо с тем, что он находится в неактивном состоянии. Вследствие этого неко- торые молекулы (например, гликоген, церебро- зиды, ганглиозиды, сфингомиелин, гликозами- ногликаны) не перевариваются. В результате эти вещества накапливаются в клетках, нарушая их нормальные функции. Могут поражаться разно- образные типы клеток, что объясняет множество клинических симптомов, наблюдаемых при лизо- сомальных болезнях (табл. 2-3). 1-клеточная болезнь (отангл. Inclusion cell disease — болезнь клеточных включений) является редким наследуемым заболеванием, которое клинически характеризуется нарушением физического раз- вития и умственной отсталостью. Оно обуслов- лено дефицитом фосфорилирующего фермента, в норме присутствующего в комплексе Гольджи. Поэтому лизосомальные ферменты, транспор- тируемые из грЭПС, в комплексе Гольджи не подвергаются фосфорилированию. Вследствие этого нефосфорилированные белковые молекулы не отделяются для включения в образующиеся ли- зосомы, а вместо этого направляются в главный секреторный путь. Секретируемые лизосомаль- ные ферменты присутствуют в крови пациентов с болезнью клеточных включений, тогда как их лизосомы оказываются «пустыми». Клетки этих пациентов содержат крупные гранулы включе- ний, которые нарушают нормальный метаболизм клеток 56
Глава 2. Цитоплазма Рис. 2-26. Вторичные лизосомы. Виден участок цитоплаз- мы клетки, который содержит четыре темные вторичные лизосомы, окруженные многочисленными митохондрия- ми. Электронная микрофотография. Таблица 2-3. Примеры болезней, вызванных недоста- точностью лизосомальных ферментов и накоплением непереваренных веществ в клетках различных типов Болезнь Неполноценный фермент Основные пора- жаемые^ органы Болезнь Хюрлера a-L-идуронидаза Скелет и нервная система_ Синдром Санфилиппо Гепарансульфат сульфамидаза Скелет и нервная система Болезнь Тея-Сакса Гексозаминидаза-А Нервная система Болезнь Гоше p-D-гликозидаза Печень и селезенка Болезнь клеточных 1 включений Фосфотрансфераза Скелет и нервная система Протеосомы Протеосомы представляют собой комплек- сы, состоящие из большого числа протеаз, которые переваривают белки, намеченные для разрушения благодаря связыванию с убиквитином. Разрушение белков очень важно для устранения избытка ферментов и других белковых молекул, которые становятся ненужными клетке после того, как они выполнят свои нормальные функции, а также для удаления неправильно свер- нутых белков. Белок, который кодируется вирусом, также подлежит разрушению. Протеосомы взаимо- действуют с белками на уровне отдельных молекул, тогда как лизосомы переваривают большие массы материала, попадающего в клетку, или целые орга- неллы и пузырьки. Протеосомы содержат основную частицу цилин- дрической формы, состоящую из четырех колец, образующих стопку. С каждого края основной части- цы располагается по регуляторной частице, которая содержит АТФазу и распознает белки, связанные с молекулами убиквитина. Убиквитин — это мелкий (76 аминокислот) белок, который обнаруживается во всех клетках и сохранился неизменным в тече- ние эволюции — его структура практически сходна у различных представителей живого — от бактерий до человека. Убиквитин маркирует белки, подлежа- щие разрушению, следующим образом. Молекула убиквитина связывается с остатком лизина в белке, который должен быть разрушен. После этого другие молекулы убиквитина прикрепляются к первой; этот комплекс распознается регуляторной частицей; белок раскручивается с помощью АТФаз, исполь- зующих энергию АТФ; далее белок переносится в основную частицу, где он расщепляется на пептиды длиной примерно восемь аминокислот каждый. Эти пептиды транспортируются в цитозоль посредством процесса, суть которого остается неизвестной. Моле- кулы убиквитина отделяются от регуляторных частиц для повторного использования. Пептиды, состоящие из восьми аминокислот, могут разрушаться до отдельных аминокислот фер- ментами цитозоля, либо они имеют другое пред- назначение (например, в некоторых клетках они участвуют в иммунных реакциях). Пероксисомы, или микротельца Пероксисомы (peroxide — перекись + soma — тело) представляют собой сферические мембранные ор- ганеллы диаметром от 0,5 до 1,2 мкм (см. рис. 2-39). Подобно митохондриям, они утилизируют кислород, но не вырабатывают АТФ и непосредственно не участвуют в клеточном метаболизме. Пероксисомы окисляют специфические органические субстраты путем удаления атомов водорода, которые перено- сятся к молекулярному кислороду (О2). В резуль- тате образуется перекись водорода (Н2О2), которая является активным веществом, способным вызвать повреждение клетки. Однако присутствующий в пероксисомах фермент каталаза разрушает пере- кись водорода Каталаза переносит атомы кислорода с перекиси водорода на некоторые соединения, а также разрушает перекись водорода с образованием воды и кислорода (2Н2О2 2 Н2О + О2). Активность 57
Гистология Рис. 2-27. Современные представления о функциях лизосом. Синтез ферментов лизосом происходит в гранулярной эндоплазматической сети (грЭПС), а их упаковка — в комплексе Гольджи. Обратите внимание на гетерофагосомы, в которых осуществляется разрушение бактерий, и на аутофагосомы, в которых происходит процесс переваривания участка грЭПС и митохондрии Гетерофагосомы и аутофагосомы являются вторичными лизосомами Продукты перева- ривания, содержащиеся в лизосомах, могут экскретироваться, но иногда вторичная лизосома образует остаточное тельце, содержащее остатки непереваренных молекул. Некоторые клетки, такие, как остеокласты, секретируют лизосомальные ферменты в межклеточное пространство. Яд — ядрышко. каталазы имеет также и клиническое значение. Она разрушает некоторые токсические молекулы и лекарства, в особенности в пероксисомах печени и почек. Например, 50% поглощенного этилового спирта разрушается до ацетальдегида в пероксисо- мах печени и почек. Пероксисомы печени и почек отличаются от других пероксисом большей вариа- бельностью ферментного состава. Их однородный матрикс содержит D- и L-аминооксидазы, каталазу и оксидазу гидрокси кислот. У некоторых видов, но не у человека, в матриксе имеется кристаллоподобный нуклеоид, образованный уратоксидазой. Пероксисомы содержат ферменты, участвующие в обмене липидов. Таким образом, р-окисление амино- кислот с длинной цепью (18 молекул углерода и более) происходит преимущественно ферментами перокси- сом, которые отличаются от своих митохондриальных аналогов. В высокоочищенных фракциях пероксисом также были обнаружены некоторые реакции, приводя- щие к образованию желчных кислот и холестерола. Ферменты пероксисом синтезируются на свобод- ных цитозольных рибосомах, при этом небольшая последовательность аминокислот, расположенная около карбоксильного края, функционирует как важный сигнал. Белки с этим сигналом распознаются рецепторами, находящимися на мембране перокси- сомы, и переносятся внутрь этой органеллы. Перок- сисома увеличивается в размерах и расщепляется на две более мелкие пероксисомы посредством меха- низма, который остается не полностью понятным. Секреторные пузырьки, или гранулы Секреторные пузырьки обнаруживаются в клетках, которые накапливают выработанный ими продукт до момента поступления метаболического, гормо- 58
Глава 2, Цитоплазма Рис. 2-28. Клетка ацинуса поджелудочной железы. Видны аутофагосомы. Сверху справа: два фрагмента гранулярной эндоплазматической сети (грЭПС), окруженные мембраной. В центре: аутофагосома, содержащая митохондрии (стрелка) и элементы грЭПС. Слева: остаточное тельце, содержащее непереваренный материал. Треугольник указывает на группу окаймленных пузырьков. МЕДИЦИНСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ Дефекты белков пероксисом являются причиной большого количества заболеваний, поскольку эта органелла активно участвует в нескольких метабо- лических путях. Вероятно, наиболее распростра- ненной пероксисомной болезнью является свя- занная с Х-хромосомой адренолейкодистрофия (X-ALD). Она вызвана дефектом интегрального мембранного белка, который участвует в транс- порте жирных кислот с очень длинной цепочкой в пероксисомы для их р-окисления. Накопление этих жирных кислот в жидкостях тела вызывает разрушение миелиновых оболочек в нервной ткани, обусловливая тяжелую неврологическую симптоматику. Недостаточность ферментов пе- роксисом служит причиной синдрома Целлвегера, который вызывает смерть больных. Этот синдром протекает с тяжелым повреждением мышц, печени и почек и дезорганизацией центральной и пери- ферической нервной системы. У таких пациентов электронная микроскопия выявляет «пустые» пероксисомы в клетках печени и почек. нального или нейрального сигнала о его выделении (регулируемая секреция). Эти пузырьки окружены мембраной и содержат концентрированную форму секреторного продукта (рис. 2-29). Содержимое не- которых секреторных пузырьков может быть в 200 раз более концентрированным, чем в цистернах грЭПС Секреторные пузырьки, содержащие пищеваритель- ные ферменты, известны как зимогенные гранулы ЦИТОСКЕЛЕТ Цитоскелет цитоплазмы представляет собой слож- ную сеть, состоящую из микротрубочек, актиновых филаментов (микрофиламентов) и промежуточных филаментов. Входящие в состав цитоскелета струк- турные белки обеспечивают поддержание формы клетки, а также играют важную роль в движении органелл и цитоплазматических пузырьков. Цитос- келет участвует также и в движении всей клетки. Микротрубочки В цитоплазматическом матриксе эукариотических клеток присутствуют трубчатые структуры, которые известны как микротрубочки (рис. 2-30 — 2-32). Мик- ротрубочки обнаруживаются также в цитоплазмати- ческих выростах, называемых ресничками (рис. 2-33) и жгутиками. Наружный диаметр микротрубочек равен 24 нм. они образованы плотной стенкой толщиной 5 нм, окружающей полую центральную часть шириной 14 нм. Микротрубочки варьируют подлине, отдельные из них могут достигать длины нескольких микромет- ров. Иногда две и большее количество микротрубочек связаны ручками, или мостиками (рис. 2-34). 59
Гистология Рис. 2-29. Клетка ацинуса поджелудочной железы кры- сы. Видны многочисленные зрелые секреторные гранулы (С), связанные с конденси- рующими вакуолями (В) и комплексом Гольджи (Г). Электронная микрофотог- рафия, х 18 900. Субъединицей микротрубочки является гетероди- мер, включающий а- и р-тубулин, молекулы которого обладают близким аминокислотным составом и массой около 50 кДальтон каждая. В соответствующих условиях (ш vivo или in vitro) субъединицы тубулина полимеризуются, образуя микротрубочки. С использованием специальных методов окрашивания можно видеть, что тубулин образован гетеродимерами, свернутыми в спираль. Один полный виток спирали образован 13 единица- ми (см. рис. 2-34). Полимеризация тубулинов с образованием мик- ротрубочек in vivo обеспечивается разнообразными структурами, которые в совокупности известны как центры организации микротрубочек. Этими структу- рами являются реснички, базальные тельца и цент- росомы. Рост микротрубочек путем полимеризации субъединиц происходит более быстро на одном из концов существующих микротрубочек. Этот край называется плюсовым (+) концом, а про- тивоположный край — минусовым (—) концом. Полимеризация тубулина контролируется кон- центрациями Са2+ и белков, ассоциированных с микротрубочками (БАМ, англ. MAPs — microtubule- associated proteins) Стабильность микротрубочек вариабельна; например, микротрубочки реснички стабильны, а микротрубочки митотического вере- тена существуют лишь кратковременно. Алкалоид колхицин, обладающий анти митотической актив- ностью, специфически связывается с тубулином, причем комплекс тубулин-колхицин прикрепляется к микротрубочкам, предотвращая присоединение новых молекул тубулина к плюсовому концу. Мик- ротрубочки митотического веретена распадаются, так как деполимеризация продолжается преимущес- твенно у минусового конца, а разрушенные единицы тубулина не восполняются. Другим алкалоидом, который нарушает деятельность микротрубочек во время митоза, является таксол, который ускоряет образование микротрубочек, одновременно стаби- лизируя их. Весь тубулин цитозоля используется для образования таких стабильных микротрубочек, и на формирование митотического веретена тубулина не остается. Еще один алкалоид — винбластин — обладает деполимеризующим влиянием на уже сформированные микротрубочки с последующей агрегацией, приводящей к образованию паракрис- талл ических структур из тубулина 60
Глава 2. Цитоплазма Цитоплазматические микротрубочки представ- ляют собой жесткие структуры, которые играют важную роль в создании и поддержании формы клетки. Обычно они ориентированы таким образом, чтобы создать или сохранить определенную клеточ- ную асимметрию. Воздействия, которые разрушают П ротофи л амент Рис. 2-30. Молекулярная организация микротрубочки. В этой поляризованной структуре имеется чередование двух субъединиц (а- и р-) молекул тубулина. Молекулы |убулина располагаются таким образом, что они образуют 13 протофиламентов, как показано на поперечном сечении в верхней части рисунка. т МЕДИЦИНСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ Антимитотические алкалоиды являются полез- ными инструментами в клеточной биологии (например, колхицин используется для оста- новки хромосом в метафазе и для изготовления препаратов с целью изучения кариотипа), а также в химиотерапии рака (например, винб- ластин, винкристин и таксой используются для остановки пролиферации клеток опухолей). Так как опухолевые клетки быстро пролиферируют, противоопухолевые препараты оказывают на них более выраженное действие, чем на нормальные клетки. Однако химиотерапия имеет много неже- лательных побочных явлений. Так, например, она оказывает повреждающее влияние на некоторые нормальные кроветворные клетки и эпителиаль- ные клетки выстилки пищеварительного тракта, которые так же, как и опухолевые клетки, харак- теризуются высокой активностью деления. микротрубочки, приводят к потере этой клеточной асимметрии. Микротрубочки участвуют также во внутрикле- точном транспорте органелл и пузырьков. В качес- тве примеров можно привести аксоплазматический транспорт в нейронах, транспорт меланина в пигмен- тных клетках, перемещение хромосом митотическим веретеном, а также движение пузырьков между раз- личными компартментами клетки. В каждом из этих примеров движение связано с присутствием сложных сетей микротрубочек, причем если происходит разрушение микротрубочек, указанные процессы приостанавливаются. Транспорт, направляемый микротрубочками, контролируют особые моторные белки, которые используют энергию для передвиже- ния молекул и пузырьков. Микротрубочки образуют основу нескольких сложных компонентов цитоплазмы, включая цен- триоли, базальные тельца, реснички и жгутики. Центриоли представляют собой цилиндрические структуры (диаметром 0,15 мкм и длиной 0,3— 0,5 мкм), которые состоят главным образом из ко- ротких микротрубочек, организованных в сложную систему (см. рис. 2-34). Каждая центриоль содержит девять групп микротрубочек, собранных в триплеты. Микротрубочки располагаются столь тесно, что соседние микротрубочки триплета частично слива- ются между собой и их стенки становятся общими. Вблизи ядра неделящейся клетки располагается цен- тросома (рис. 2-35), состоящая из пары центриолей, окруженных зернистым материалом. В каждой паре длинные оси центриолей находятся под прямым углом друг к другу. Перед клеточным делением, в частности в течение S-периода интерфазы, каждая 61
Гистология Рис. 2-31. Цитоплазма фибробласта. Обратите внимание на актиновые филаменты (АФ) и мик- ротрубочки (МТ). Элект- ронная микрофотография, хбО ООО. (С любезного раз- решения Е. Katchburian.) из центросом дуплицируется, после чего центросома содержит уже две пары центриолей. Во время митоза центросома разделяется на две центросомы, которые двигаются к противоположным полюсам клетки и становятся организующими центрами для микро- трубочек митотического веретена. Реснички и жгутики представляют собой подвиж- ные выросты, покрытые клеточной мембраной, обладающие высокоорганизованной центральной (стержневой) частью из микротрубочек. Реснитча- тые клетки обычно имеют большое число ресничек длиной около 2—3 мкм каждая. Жгутиковые клетки имеют только один жгутик длиной около 100 мкм. У человека единственным типом клеток, имеющих жгутик, являются сперматозоиды. Главная функция ресничек состоит в «выметании» жидкости с по- верхности клеточных пластов. Реснички и жгутики характеризуются одинаковой внутренней органи- зацией. Последняя представлена девятью парами (дублетами) микротрубочек, окружающими две центральные микротрубочки. Такую систему свя- занных между собой микротрубочек, называемую аксонемой (греч. ахоп — ось + пета — нить), опи- сывает формула 9 + 2. В каждой из девяти перифе- рических пар микротрубочки имеют общую стенку (см. рис. 2-34). Вокруг микротрубочек центральной пары располагается центральная оболочка. Белок нек- син образует мостики, которые связывают друг с дру- гом соседние периферические пары микротрубочек, с центральной оболочкой их соединяют радиальные спицы. Микротрубочки в каждой паре называются А и Б. Микротрубочка А является полной и содержит 13 гетеродимеров, тогда как микротрубочка Б имеет только 10 гетеродимеров (на поперечном срезе). Белок динеин, обладающий активностью АТФазы. образует пары «ручек», которые отходят от поверх- ности микротрубочки А. В основании каждой реснички или жгутика имеет- ся базальное тельце, по сути, аналогичное центриоли, которое контролирует сборку аксонемы. Рис. 2-32. Светочувствительная клетка сетчатки. Обратите внимание на скопление поперечно разрезанных микротру- бочек (стрелки). Электронная микрофотография. Немного уменьшено с оригинала, полученного при увеличении х 80 000. 62
Реснички Рис. 2-33. Эпителий возду- хоносных путей. Большая часть клеток в этом эпите- лии содержит многочис- ленные реснички на своей апикальной поверхности (свободном верхнем крае). Я — ядра клеток; С — сли- зистый секрет в цитоплазме клеток, который на этом препарате выглядит тем- ным. Окраска: гематокси- лин—эозин. Большое уве- личение. ’ МЕДИЦИНСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ Описано несколько мутаций белков реснички и жгутика. Они ответственны за синдром непод- вижных ресничек, симптомы которого включают неподвижность сперматозоидов, мужское бес- плодие и хронические инфекции дыхательных путей, вызванные отсутствием очищающего действия ресничек в респираторном тракте. Актиновые филаменты Сократительная активность мышечных клеток явля- ется главным образом результатом взаимодействия между двумя белками: актином и миозином. Актин находится в мышце в виде тонких (диаметром 5— 7 нм) нитей (филаментов), состоящих из шаро- видных (глобулярных) субъединиц, собранных в двунитчатую спираль (рис. 2-36). Структурные и био- химические исследования показали, что существуют несколько типов актина и что этот белок присутству- ет во всех клетках. Внутри клетки микрофиламенты могут быть организованы по-разному. 1. В скелетной мышце они приобретают паракрис- таллическое расположение и интегрированы с толстыми (диаметром 16 нм) миозиновыми фи- ламентами. 2. В большинстве клеток актиновые филаменты образуют тонкую оболочку непосредственно под плазмолеммой — кортикальный слой (клеточная кора). Эти филаменты связаны с такой деятель- ностью клеточной мембраны, как эндоцитоз, эк- зоцитоз, и активностью клеточного перемещения (миграции). 3. Актиновые филаменты тесно связаны с некото- рыми органеллами цитоплазмы, пузырьками и гранулами. Считается, что филаменты играют роль в движении и перемещении компонентов цитоплазмы (цитоплазматический ток). 4. Актиновые филаменты связаны с миозином и формируют кольцо из филаментов (напомина- ющее ремешок, которым в старину затягивался кошелек), сокращение которого приводит к раз- делению митотически делящихся клеток. 5. В большинстве клеток актиновые филаменты разбросаны по всей цитоплазме без какой-либо заметной закономерности (см. рис. 2-31). Хотя актиновые филаменты в мышечных клет- ках являются стабильными структурами, в немы- шечных клетках они легко диссоциируют и вновь подвергаются сборке. Полимеризация актиновых филаментов находится под контролем очень малых сдвигов уровней Са2+ и циклического аденозинмо- нофосфата (цАМФ). В разнообразных клетках вы- явлено большое число актинсвязывающих белков, причем в настоящее время многие исследования сфокусированы на выяснении того, как эти белки регулируют состояние полимеризации и латеральной агрегации актиновых филаментов. Об их значении можно судить на основании того факта, что лишь около половины клеточного актина находится в форме филаментов. 63
Гистология А Микротрубочка а-Тубулин ---- р-Тубулин ---- 24 нм (субъединицы выглядят как на препарате, окрашенном методом негативного контраста) Димеры тубулина (гетеродимеры) Электронная микрофо- тография микротрубочек, демонстрирующая их структурные особенности, показанные выше Аксонема (с формулой 9+2) Рис. 2-34. Схема строения микротрубочек, ресничек и центриолей. А — вид микротрубочек под электронным микроско- пом после фиксации танниновой кислотой в глютаральдегиде. Неокрашенные субъединицы тубулина выделены плотной танниновой кислотой. На поперечных срезах трубочек выявляется кольцо из 13 субъединиц димеров, расположенных по спирали. Изменения длины микротрубочки обусловлены добавлением или потерей отдельных субъединиц тубулина. Б — на поперечном срезе реснички видна центральная часть из микротрубочек, называемая аксонемой. Аксонема со- стоит из двух центральных микротрубочек, окруженных девятью дублетами микротрубочек. В дублетах микротрубочка А является полной и состоит из 13 субъединиц, тогда как микротрубочка Б имеет два или три общих гетеродимера с микро- трубочкой А. При активации АТФ динеиновые «ручки» связывают соседние микротрубочки и обеспечивают скольжение дублетов друг относительно друга. В — центриоли состоят из девяти триплетов микротрубочек, связанных воедино и образующих подобие цевочного колеса. В триплетах микротрубочка А является полной и состоит из 13 субъединиц, тогда как микротрубочки Б и В имеют общие тубулиновые субъединицы. В нормальных условиях эти органеллы выявляются в виде пар, в которых центриоли располагаются под прямыми углами друг к другу 64
Глава 2. Цитоплазма Рис. 2-35. Центросома (рисунок). Показан зернистый белковый материал, окружающий каждую из пары цент- риолей, располагающихся под прямым углом друг к другу. Каждая центриоль состоит из девяти связок микротрубо- чек, по три микротрубочки в связке. Вероятно, большая часть процессов, связанных с актиновыми филаментами, зависит от взаимо- действия миозина с актином. (Структура и функция толстых миозиновых филаментов описаны в разделе, посвященном мышечным тканям.) Промежуточные филаменты Как показали ультраструктурные и иммуноцитохи- мические исследования, в эукариотических клетках присутствует третий важнейший тип нитевидных структур. Помимо тонких (актиновых) и толстых (миозиновых) филаментов, клетки содержат осо- бый класс филаментов промежуточного размера, средний диаметр которых равен 10—12 нм (рис. 2-37 и табл. 2-4). Выделены несколько белков, образую- щих промежуточные филаменты; их локализация установлена при использовании иммуноцитохими- ческих методов. Кератины (греч. keras— рог) представляют собой семейство приблизительно из 20 белков, которые об- наруживаются в эпителиях. Они кодируются семейс- твом генов и обладают различными химическими и иммунологическими свойствами. Такое разнообразие кератинов связано с различной ролью, которую эти белки играют в эпидермисе, ногтях, копытах, рогах, перьях, чешуе и других структурах, обеспечивающих защиту организма животных от повреждений вследс- твие трения и потери воды и тепла. Виментиновые филаменты характерны для клеток мезенхимного происхождения. (Мезенхимаявляется эмбриональной тканью)2. Виментин представляет собой один белок (56—58 кДальтон) и может копо- Рис. 2-36. Цитозольный актиновый филамент. Актиновые димеры добавляются к плюсовому (+) концу и удаляют- ся с минусового (—) конца, динамически удлиняя или укорачивая филамент, в зависимости от потребностей клетки. (Перерисовано и воспроизведено с разрешения из Junqueira L.C., Carneiro J. BiologiaCelulare Molecular. — 6th ed. — Editora Guanabara, 1997.) Рис. 2-37. Эпителиальная клетка кожи. Видны промежу- точные кератиновые филаменты, связанные с десмосома- ми. Электронная микрофотография. 65
Гистология Таблица 2-4. Примеры промежуточных филаментов, выявляемых в эукариотических клетках Тип филаментов Тип клеток Примеры Кератины Эпителий Ороговевающие и неоро- говевающие эпителии Виментин Мезен- химные клетки Фибробласты, хондроб ласты, макрофаги, эндоте- лиальные клетки, гладкие мышечные клетки сосудов Десмин Мышцы Поперечнополосатые и гладкие мышцы (за исклю-i чением гладких мышеч- ных клеток сосудов) Глиальный фибриллярный кислый белок Глиальные Астроциты клетки Нейро- филаменты Нейроны Тела и отростки нервных клеток димеризоваться с десмином или глиальным фибрил- лярным кислым белком. Десмин (скелетин) обнаруживается в гладких мы- шечных клетках и в Z-линиях (дисках) скелетной и сердечной мышцы (53—55 кДальтон). Глиальные филаменты (глиальный фибриллярный кислый белок) характерны для астроцитов и не об- наруживаются в нейронах, мышце, мезенхимных клетках или эпителиях (51 кДальтон). Нейрофиламенты состоят не менее чем из трех по- липептидов с высокой молекулярной массой (68, 140 и 210 кДальтон). Белки промежуточных филаментов имеют различную химическую структуру и играют различную роль в функции клеток. МЕДИЦИНСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ Присутствие конкретного типа промежуточных филаментов в опухолях может указать на то, какие клетки дали начало новообразованию. Эта информация важна для их диагностики и лечения (см. табл. 1-1). Идентификация белков проме- жуточных филаментов посредством иммуноци- тохимических методов является стандартной диагностической процедурой. Цитоплазматические включения Цитоплазматические включения обычно представ- ляют собой временные компоненты цитоплазмы, состоящие преимущественно из скоплений ме- таболитов или других веществ. Молекулы в этих скоплениях встречаются в нескольких формах, одной из них являются липидные капельки в жи- ровой ткани, клетках коры надпочечника и клетках печени (рис. 2-38). В некоторых клетках встречаются также скопления углеводов в виде гликогена. После импрегнации солями свинца гликоген имеет вид скоплений электронно-плотных частиц (рис. 2-39). Белки накапливаются в железистых клетках, запол- няя секреторные гранулы, или секреторные пузырьки (см. рис. 2-29); при стимуляции эти белки периоди- чески выделяются за пределы клетки. В клетках часто обнаруживаются включения окра- шенных веществ — пигменты (рис. 2-40). Они могут синтезироваться клетками (например, меланоцита- ми кожи) или поступать в организм извне (например, каротин). Одним из наиболее распространенных пигментов является липофусцин — желтовато-ко- ричневое вещество, которое присутствует главным образом в долгоживущих клетках (например, в нейронах, сердечной мышце), причем его количес- тво увеличивается с возрастом. Он имеет сложный химический состав. Предполагается, что гранулы липофусцина происходят из вторичных лизосом и являются скоплениями неперевариваемого вещес- тва. Широко распространенный пигмент меланин в большом количестве содержится в эпидермисе и в пигментном слое сетчатки в виде плотных внут- риклеточных гранул, покрытых мембраной. Цитозоль Некоторое время назад полагали, что цитоплазма, заполняющая пространства между отдельными органеллами и включениями, не структурирована. Это предположение подкреплялось использованием гомогенизации и центрифугирования гомогенатов для получения фракций, состоящих из узнаваемых Рис. 2-38. Клетка надпочечника. Видны липидные капель- ки (Л) и многочисленные аномальные митохондрии (М). Электронная микрофотография, х19 ООО. 66
Глава 2, Цитоплазма Рис. 2-39. Клетка печени. Выявляются включения гликогена в виде скопле- ний электронно-плотных частиц (стрелки). Темные структуры с центральным «ядром» — это перокси- сомы. Показаны также митохондрии (М). Элект- ронная микрофотография, хЗО ООО Пероксисомы Рис. 2-40. Печень земно- водного. Видны клетки с пигментными включе- ниями (ПВ) в цитоплазме, макрофаг (М), гепатоциты (Г) и нейтрофильный лей- коцит (Н). В этом матери- але, заключенном в смолу, в цитоплазме гепатоцитов можно видеть митохонд- рии (бледно-красные) и лизосомы (синие). Такую информацию можно по- лучить только при заливке в смолы. Окраска по Гимзе. Среднее увеличение. 67
Таблица 2-5. Некоторые заболевания человека и животных, связанные с изменениями клеточных компонентов Пораженный кле- точный компонент Болезнь Молекулярный Морфологические дефект изменения Клинические последствия Митохондрия Митохондриальная цитопатия Дефект окисли- Увеличение размеров тельного фосфори- и числа митохондрий пирования в мышце Высокий основной обмен в отсутствие гипертиреоза Микротрубочка Синдром неподвиж- ных ресничек Отсутствие дине- Отсутствие «ручек» ина в ресничках и дублетов микротру- жгутиках бочек Неподвижные реснички и жгутики; стерильность у мужчин и хронические дыхательные инфекции Диабет у мыши (Acomys) Снижение содержа- Снижение содержания ния тубулина микротрубочек в р-клетках подже- в р-клетках поджелу- лудочной железы дочной железы Высокие концентрации сахара в крови (диабет) Лизосома Метахроматическая лейкодистрофия Отсутствие лизо- Накопление в тканях сомальной сульфа- липидов (цереброзида) тазы Двигательные и умс- твенные расстройства Болезнь Хюрлера Отсутствие лизосо- Накопление в тканях мальной ot-L-идуро- дерматансульфата нидазы Задержка роста и умс- твенного развития Комплекс Гольджи l-клеточная болезнь (болезнь клеточных включений) Дефицит фос- Накопление включе- фотрансферазы ний в клетках несколь- ких типов Задержка психомотор- ного развития, анома- лии костей мембранных органелл. Конечный супернатант, по- лучаемый в этом процессе после отделения органелл, называется цитозоль. На цитозоль приходится около половины общего объема клетки. При гомогенизации клеток разрушается тонкая микротрабекулярная сеть, которая объединяет актиновые филаменты, микро- трубочки, промежуточные филаменты, ферменты и другие растворимые компоненты в составе струк- турированного цитозоля Цитозоль координирует внутриклеточные движения органелл и обусловлива- ет вязкость цитоплазмы. Растворимые (не связанные с мембранами) ферменты, например, относящиеся к гликолитическому пути, функционируют более эффективно, если они располагаются в определен- ной последовательности, а не произвольно, когда приходится рассчитывать только на случайные стол- кновения с их субстратами. Цитозоль обеспечивает структурную основу такой организации. Он содер- жит тысячи ферментов, образующих «строительные блоки», которые используются для сборки более крупных молекул, и разрушающих мелкие молекулы с выделением энергии. В цитозоле содержатся все элементы механизма синтеза белка (рРНК, иРНК тРНК, ферменты и другие факторы). kVW т МЕДИЦИНСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ Клеточные компоненты и болезни Многие болезни связаны с молекулярными изме- нениями в конкретных клеточных компонентах. При ряде таких болезней путем использования светового, электронного микроскопа или цитохи- мическими методами можно выявить структурные изменения. В табл. 2-5 перечислены некоторые из этих болезней; приведенный материал ука- зывает на важность понимания функции многих клеточных компонентов в патобиологии. 68
Глава 2, Цитоплазма СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ Afzelius В.A., Eliasson R. Flagellar mutants in man: on the heterogeneity of the immotile-cilia syndrome // J. Ultrastruct. Res. — 1979. — Vol. 69. — P. 43. Aridor M., Balch W.E. Integration of endoplasmic reticulum signaling in health and disease // Nat. Med. — 1999. — Vol. 5. - 745. Barrit GJ. Communication Within Animal Cells. — Oxford University Press, 1992. Becker W. M. et al. The World of the Cell. — 4th ed. — Benjamin/ Cummings, 2000. Bretscher M.S. The molecules of the cell membrane // Sci. Am. - 1985. - Vol. 253. - P. 100. Brinkley B.R. Microtubule organizing centers // Annu Rev. Cell. Biol. - 1985. - Vol. 1. - P. 145. Brown M.S et al. Recycling receptors: the round-trip itinerary of migrant membrane proteins // Cell. — 1983. — Vol. 32. — P. 663. Cooper G.M. The Cell: A Molecular Approach. — ASM Press/ Sinauer Associates, Inc., 1997. DeDuve C. A Guided Tour of the Living Cell. — Freeman, 1984. DeDuve C. Microbodies in the living cell//Sci. Am. — 1983. — Vol. 248. - P. 74. Dustin P. Microtubules. — 2nd ed. — Springer-Verlag, 1984. Farquhar M.G. Progress in unraveling pathways of Golgi traffic//Annu. Rev. Cell. Biol. — 1985. — Vol. 1. — P. 447. Fawcett D. The Cell. — 2nd ed. — Saunders, 1981. Krstic R.V Ultrastructure of the Mammalian Cell. — Springer- Verlag, 1979. Mitchison T.J., Cramer L.P. Actin-based cell motility and cell locomotion 11 Cell. - 1996. - Vol. 84. - P. 371. Osborn M., Weber K. Intermediate filaments: cell-type-specific markers in differentiation and pathology // Cell. — 1982. — Vol. 31.-P. 303. Pfeffer S.R., Rothman J.E. Biosynthetic protein transport and sorting in the endoplasmic reticulum // Annu. Rev. Biochem. - 1987. - Vol. 56. - P. 829. Rothman J. The compartmental organization of the Golgi apparatus // Sci. Am. — 1985. — Vol. 253. — P. 74. Simons K., Ikonen E. How cells handle cholesterol // Science. - 2000. - Vol. 290. - P. 1721. TzagoloffA. Mitochondria. — Plenum, 1982. Weber K., Osborn M. The molecules of the cell matrix // Sci. Am. - 1985. - Vol. 253. - P. 110.
ГЛАВА 3 ЯДРО КЛЕТКИ Ядро клетки содержит планы и программы всех кле- точных структур и процессов, закодированные в ДНК хромосом. В нем находятся также и молекулярные механизмы для репликации своей ДНК и для синтеза и процессинга трех типов РНК — рРНК, иРНК и тРНК. Небольшое количество ДНК содержится в геноме митохондрий; они образуют также молекулы РНК, которые используются в этой органелле, однако этот геном столь мал, что он оказывается недоста- точным даже для самой митохондрии. С другой стороны, ядро не вырабатывает белки; поэтому мно- гочисленные белковые молекулы, необходимые для его деятельности, импортируются из цитоплазмы. Ядро часто имеет вид округлой или удлиненной структуры, лежащей обычно в центре клетки (рис. 3-1). Его главные компоненты — ядерная оболочка, хро- матин (рис. 3-2 и 3-3), ядрышко и ядерный матрикс. Размеры и морфологические особенности ядра в конкретной нормальной ткани более или менее постоянны. Напротив, ядра раковых клеток имеют неправильную форму, вариабельные размеры и ати- пичное распределение хроматина. Ядерная оболочка Как показано при использовании электронной микроскопии, ядро окружено двумя параллельны- ми мембранами, между которыми находится узкое Рис. 3-1. Клетки печени (гепатоциты). Видны не- сколько темноокрашенных ядер. Обратите внимание на наличие так называемой ядерной мембраны, состо- ящей преимущественно из скоплений хроматина на периферии ядра. Внут- ри ядер видны несколько ядрышек, что указывает на интенсивный белковый синтез. Один из гепатоцитов содержит два ядра. Окраска: парарозанилин—толуиди- новый синий. Среднее уве- личение. (40—70 нм) пространство — перинуклеарная цистерна* (рис. 3-2 и 3-4). В совокупности парные мембраны и разделяющее их пространство образуют ядерную оболочку. С внутренней мембраной ядерной обо- лочки тесно связана белковая структура — ядер- ная фиброзная пластинка, или ядерная ламина (рис. 3-4), которая придает прочность ядерной оболочке. Фиброзная пластинка образована тремя главными белками, которые называются ламины А, В и С. В неделящихся клетках с ядерной фиброзной пластинкой связаны хромосомы (рис. 3-5). Характер этой связи в пределах каждой ткани остается неиз- менным от клетки к клетке, что подтверждает мнение о фиксированном расположении хромосом внутри ядра. К наружной мембране прикреплены полирибо- сомы, это показывает, что ядерная оболочка является частью ЭПС1. Белки, синтезированные на полири- босомах, прикрепленных к ядерной оболочке, вре- менно сегрегируются в перинуклеарной цистерне. В тех участках, где внутренняя и наружная мембраны ядерной оболочки сливаются друг с другом, имеются отверстия — ядерные поры (рис. 3-6 и 3-7), которые образуют контролируемые пути, связывающие ядро и цитоплазму. Поры являются не простыми отверсти- ями, а содержат восьмиугольный поровый комплекс, * Для обозначения этого промежутка обычно используется термин «перинуклеарное пространство», который рекомен- дован и М ГТ. — Примеч. пер. 70
Глава 3. Ядро клетки Рис. 3-2. Строение клеточного ядра (схема). Ядерная оболочка состоит из двух мембран эндоплазматической сети, охватывающих перинуклеарную цистерну В местах слияния двух мембран образуются ядерные поры. К наруж- ной ядерной мембране прикреплены рибосомы. Глыбки гетерохроматина (ГХ) связаны с ядерной пластинкой, тогда как эухроматин (ЭХ) рассеян по внутренней части ядра. В ядрышке обратите внимание на ассоциированный с ним хроматин, гетерохроматин (ГХ). гранулярную часть (Г) и волокнистую часть (В). состоящий более чем из 100 белков (рис. 3-8). Пос- кольку ядерная оболочка непроницаема для ионов и молекул всех размеров, обмен веществ между ядром и цитоплазмой осуществляется только через ядерные поры. Ионы и молекулы диаметром до 9 нм свобод- но проходят через ядерную пору без энергозатрат. Однако молекулы и молекулярные комплексы круп- нее 9 нм транспортируются с помощью активного Рис. 3-3. Клеточное ядро (трехмерное изображение). Показано распределение ядерных пор, гетерохроматина (темные участки), эухроматина (светлые участки) и яд- рышка. Обратите внимание, что хроматин не перекрывает поры. Количество ядерных пор сильно варьирует от клетки к клетке. Рис. 3-4. Ядро. Видны гетерохроматин (ГХ) и эухроматин (ЭХ). Стрелки без обозначений указыва- ют на ассоциированный с ядрышком хроматин, расположенный вокруг ядрышка (Яд). Треуголь- ники указывают на пери- нуклеарную цистерну. Под цистерной располагается слой гетерохроматина, ко- торый является главным компонентом структуры, которая известна как ядер- ная мембрана и видна под световым микроскопом. Электронная микрофо- тография, х26 ООО. 71
Гистология Ядро Рис. 3-6. Ядерная оболоч- ка состоит из двух мембран и ядерных пор (стрелки). А, Б — поперечные сре- зы, В — тангенциальный срез. Хроматин, часто образующий скопления под ядерной оболочкой, в участках пор обычно не выявляется. Электрон- ная микрофотография, х80 ООО. Рис. 3-5. Структура, расположение ядерной пластинки и ее взаимоотношения с хромосомами. Комплекс ядерный поры состоит из двух белковых колец в виде восьмиуголь- ных структур. Из цитоплазматического кольца в цитозоль проникают длинные филаменты, а от внутриядерного кольца отходят филаменты, образующие корзинчатую структуру. Присутствие центрально расположенной ци- линдрической гранулы в ядерной поре признают не все исследователи. Ядро 72
Глава 3. Ядро клетки Рис. 3-7. Компоненты ядерной оболочки и ядер- ные поры в клетке кишки крысы. Метод заморажи- вания-скалывания. Элект- ронная микрофотография (С любезного разрешения Р. Pinto da Silva.) Рис. 3-8. Два комплекса ядерной поры (упрощенное изоб- ражение). На этой модели видно, что конечная ядерная часть комплекса является более непрерывной структурой в форме кольца. процесса, опосредованного рецепторами, который использует энергию АТФ и осуществляется в два этапа. На первом этапе белки, содержащие один или несколько сигналов ядерной локализации, связыва- ются со специфическими цитозольными белками, образуя комплекс, который временно прикрепляется к комплексу ядерной поры без затраты энергии. На втором этапе белки с сигналом ядерной локализа- ции переносятся в ядро при использовании энергии АТФ, а цитозольный белок остается в цитоплазме. По крайней мере часть энергии АТФ затрачивается на то, чтобы открыть комплекс ядерный поры, что необходимо для осуществления транспорта крупной молекулы. Значительно меньше известно о переносе из ядра в цитоплазму крупных молекул и молекуляр- ных комплексов, например субъединиц рибосом. Хроматин Хроматин в неделящихся ядрах в действительности представляет собой хромосомы в различной степени раскручивания (деконденсации). В соответствии со степенью конденсации хромосом как под свето- вым, так и под электронным микроскопом различают два типа хроматина (см. рис. 3-2 и 3-4). Гетерохрома- тин (греч. heteros — другой + chroma — цвет) обладает высокой электронной плотностью; под электронным микроскопом он имеет вид крупных гранул, а под световым микроскопом — базофильных глыбок Эухроматин соответствует менее скрученным участкам хромосом, которые под электронным микроскопом видны как мелкодисперсный зернистый материал, а под световым микроскопом — как светлоокрашенные базофильные участки. Пропорции гетерохроматина и эухроматина определяют соотношение темных и светлых участков ядер в срезах тканей при световой и электронной микроскопии. Интенсивность окраши- вания хроматина в ядре часто учитывают как признак для разделения и идентификации отдельных тканей и типов клеток под световым микроскопом. Хроматин состоит преимущественно из скручен- ных нитей ДНК, связанных с основными белками (гистонами); его структура схематически представ- лена на рис. 3-5. Главной структурной единицей хроматина является нуклеосома (рис. 3-9), которая 73
Гистология Сердечник, состоящий из 8 гистоновых молекул: Н2А, Н2В, НЗ и Н4 Гистон HI Централь- ная нить ДНК ДНК связую- щего участ- ка-линкера (обведена красным цветом) 10 нм Рис. 3-9. Схема строения нуклеосомы. Эта структура состоит из сердечника, образованного четырьмя типами гистонов (по две молекулы каждого) — Н2А. Н2В, НЗ и Н4 — и одной молекулы гистонов Н1 или Н5, располо- женных вне нити ДНК. состоит из сердечника, образованного четырьмя типами гистонов (по две молекулы каждого из гисто- нов Н2А, Н2В,НЗиН4), вокруг которого намотаны 166 пар оснований ДНК. Дополнительный сегмент, состоящий из 48 пар оснований, образует связующее звено (линкер) между соседними нуклеосомами, причем с этой ДНК связаны другие типы гистонов (Н1 или Н5). Такая организация хроматина описана под названием «бусы на нити». Негистоновые белки также ассоциированы с хроматином, однако их рас- положение значительно менее понятно. Следующим, более высоким, уровнем организа- ции хроматина является волокно толщиной 30 нм (рис. 3-10). В этой структуре нуклеосомы скручены вокруг оси, причем на каждый виток приходится по шесть нуклеосом, в результате чего образуется 30-нанометровое хроматиновое волокно. Существуют и более высокие уровни скручивания, особенно при конденсации хроматина во время митоза и мейоза. Характер распределения хроматина в ядре рассмат- ривается как показатель клеточной активности. Как правило, клетки со светлыми ядрами более активны, чем клетки с конденсированными, темными ядрами. В светлоокрашенных ядрах (с небольшим количеством глыбок гетерохроматина) имеется большая поверх- ность ДН К, доступная для транскрипции генетической информации. В темноокрашенных ядрах (богатых гетерохроматином) вследствие скручивания ДНК по- верхность, доступная для транскрипции, уменьшена. Тщательное исследование хроматина ядер клеток млекопитающих обнаружило скопление гетерохро- матина, которое часто выявляется в клетках самок, но отсутствует в клетках самцов. Эта глыбка хрома- тина представляет собой половой хроматин и является одной из двух Х-хромосом, присутствующих в клет- ках у особей женского пола. Х-хромосома, которая образует половой хроматин, остается плотно скру- ченной и заметной, а другая Х-хромосома раскручена нм 30 нм 300 нм 700 нм Рис. 3-10. Уровни упаковки хроматина (которые, как полагают, существуют в метафазной хромосоме). Начи- ная сверху, изображена двойная спираль ДНК толщиной 2 нм; далее показана ассоциация ДНК с гистонами с об- разованием нуклеосомных нитей толщиной 11 и 30 нм. При последующей конденсации формируются филаменты диаметром 300 и 700 нм. Наконец, нижний рисунок по- казывает метафазную хромосому, в которой выявляется максимально выраженная упаковка ДНК. и невидима. Имеются данные о том, что половой хроматин генетически неактивен. У особей мужского пола имеется одна Х-хромосома и одна У-хромосома, которые служат детерминантами пола; Х-хромосома находится в раскрученном состоянии, поэтому поло- вой хроматин не выявляется. В эпителиальных клет- ках человека половой хроматин имеет вид мелкой гранулы, прикрепленной к ядерной оболочке. Для исследования полового хроматина часто использу- ют клетки, выстилающие внутреннюю поверхность щеки. С этой целью зачастую изучают и мазки крови; в этом случае половой хроматин имеет вид добавоч- 74
Глава 3. Ядро клетки ного сегмента в форме барабанной палочки в ядре нейтрофильных лейкоцитов (рис. 3-11). МЕДИЦИНСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ Исследование полового хроматина выявля- ет генетический пол тех пациентов, у которых по виду наружных половых органов невозможно оп- ределить половую принадлежность, как, например, при гермафродитизме и псевдогермафродитизме. Изучение полового хроматина помогает в исследо- вании других аномалий, затрагивающих половые хромосомы, например синдрома Клейнфельтера, при котором аномалии яичка, азооспермия (отсутс- твие сперматозоидов) и другие симптомы связаны с наличием хромосомного набора XXY Существенный прогресс в изучении хромосом был достигнут после разработки методов, которые включают индукцию деления клеток, остановку митотического деления клеток в метафазе и разру- шение (разрыв) клеток. Митоз можно индуцировать фитогемагглютинином (в клеточных культурах) и остановить в метафазе колхицином. Далее клетки погружают в гипотонический раствор, который вы- зывает их набухание, после чего их распластывают и разрушают между предметным и покровным стекла- ми. Набор хромосом, полученный из клетки челове- ка, после их окрашивания, представлен на рис. 3-12. Выделяют половые X- и Y-хромосомы, остальные же хромосомы обычно группируют на основании их размеров и морфологических характеристик в 22 последовательно пронумерованные пары. Ядрышко Ядрышко представляет собой сферическую струк- туру (рис. 3-13), богатую рРНК и белком. При Рис. 3-11. Морфологические особенности полового хроматина в эпителии полости рта (щеки) и в полимор- фноядерном лейкоците женщины В эпителии половой хроматин имеет вид мелкой плотной гранулы, прилежащей к ядерной оболочке. В лейкоците для него типична форма барабанной палочки. МЕДИЦИНСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ Количество и характеристики хромосом, которые имеются у индивидуума, известны как карио- тип (см. рис. 3-12). Исследование кариотипов выявило хромосомные нарушения, связанные с опухолями, лейкозами и несколькими типами генетических болезней Разработка методов, которые обнаруживают в хромосомах поперечные сегменты, состоящие из неодинаково окрашивающихся полос, привела к более точной идентификации индивидуальных хромосом и изучению делеций и транслокации генов. Эти методы основаны преимущественно на изучении хромосом, предварительно обра- ботанных солевым или ферментным раствором и окрашенных флюоресцентными красителями или по методу Гимзы для мазков крови. Ценной методикой для изучения локализации последо- вательностей ДНК (генов) в хромосомах является также гибридизация in situ. окраске гематоксилином и эозином оно обычно базофильное. При исследовании под электронным микроскопом обнаруживается, что ядрышко вклю- чает три различных компонента. 1. От одного до нескольких бледноокрашенных участков состоят из ДНК ядрышковых организа- торов — последовательности оснований, которые кодируют рРНК (рис. 3-14). В геноме человека ядрышковые организаторы содержатся в пяти парах хромосом. 2. С ядрышковыми организаторами тесно связаны плотно упакованные нити (волокна) рибонукле- опротеинов диаметром от 5 до 10 нм — ими обра- зована волокнистая (фиброзная) часть ядрышка, состоящая из первичных транскриптов генов рРНК. 3. Зернистая (гранулярная) часть состоит из гранул диаметром от 15 до 20 нм (созревающих рибосом; см. рис. 3-14). В ядрышке белки, синтезированные в цитоплазме, связываются с молекулами рРНК; образующиеся субъединицы рибосом затем миг- рируют в цитоплазму. С ядрышком часто связан МЕДИЦИНСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ Крупные ядрышки встречаются в эмбриональных клетках в ходе их пролиферации, в клетках, активно синтезирующих белки, а также в клетках быстро- растущих злокачественных опухолей Ядрышко исчезает во время профазы клеточного деления, но появляется вновь на стадии телофазы митоза. 75
Гистология А * й *4 . , ЙХ * * H - 9s ic 1 2 3 4 5 if Г? - к г* ? ЙЦ ** • rt М 9 * a * to i? • • 6 7 8 9 10 1 1 12 8 й 6 9 В А Г-i И. 13 14 15 i6 17 18 • »• Я?* A A * A • a M 19 20 21 22 V Рис. 3-12. Кариотип человека. Препарат получен с использованием метода, выявляющего полосы на хромосомах. Для каждой хромосомы характерен индивидуальный рисунок полос, который облегчает ее идентификацию, а также выявляет связь характера полос с генетическими аномалиями. Хромосомы группируют в нумерованные пары в соответствии с их морфологическими характеристиками. Рис. 3-13. Два первичных ооцита. Для этих клеток характерны светлая цитоплазма и округлые более темно окрашен- ные ядра. В каждом ядре выделяется очень темно окрашенное ядрышко. Видны также срезы хромосом, поскольку они конденсированы. Эти клетки остановились в первом делении мейоза. Мейоз продолжится сразу же перед овуляцией (выбросом ооцита из яичника; см. главу 22). гетерохроматин (ассоциированный с ядрышком хроматин), однако функциональное значение этой связи неизвестно. Синтез и модификации молекул рРНК происходят внутри ядра. В ядрышке они связываются с белками и организуются в малую и большую субъединицы рибосом, которые миг- рируют в цитоплазму через ядерные поры. Ядерный матрикс Ядерный матрикс является компонентом ядра, ко- торый заполняет в нем пространство между хрома- тином и ядрышками. Он состоит главным образом из белков (некоторые из них обладают ферментной активностью), метаболитов и ионов. После удаления 76
Глава 3, Ядро клетки Рис. 3-14. Ядрышко. Отмечены ДНК ядрышкового орга- низатора (ЯдО). волокнистая часть (ВЧ). зернистая часть (34), хроматин, ассоциированный с ядрышком (АЯХ), ядерная оболочка (ЯО) и цитоплазма (Ц). Электронная микрофотография. из ядерного матрикса нуклеиновых кислот и других растворимых компонентов остается непрерывная фибриллярная структура, которая образует ядерный скелет (кариоскелет, нуклеоскелет) Частью ядерного матрикса является фиброзная пластинка ядерной оболочки. Ядерный скелет, вероятно, способствует образованию белковой основы, к которой прикреп- ляются петли ДНК. КЛЕТОЧНОЕ ДЕЛЕНИЕ Клеточное деление, или митоз (греч. mitos — нить), можно наблюдать под световым микроскопом. В ходе этого процесса материнская клетка делится, а каждая из дочерних клеток получает хромосомный набор, идентичный имевшемуся у материнской клет- ки. По существу, происходит продольное удвоение хромосом, которые затем распределяются между дочерними клетками. Промежуток между двумя митозами известен как интерфаза, в этот период ядро имеет свой нормальный вид, который присущ ему на микроскопических препаратах. Процесс митоза для облегчения его изучения подразделяют на фазы (рис. 3-15-3-17). Профаза митоза характеризуется постепенным скручиванием (конденсацией) ядерного хроматина (раскрученных, деконденсированных хромосом), что приводит к образованию нескольких отдельных интенсивно окрашенных телец в форме палочек или шпилек для волос (конденсированных хромосом). В конце профазы ядерная оболочка распадается в результате фосфорилирования белков ядерной пластинки (присоединения к ним РО43-) с обра- Препрофаза Профаза Метафаза Телофаза Восстановление ядра, образование ядерной оболочки и ядрышка, завер- шение клеточного деления Поздняя анафаза Агрегация хромосом у полюсов клетки, начало деления клетки, первые признаки появления цитоплазматической борозды Продольное расщепление хромосом и их миграция к полюсам клетки Рис. 3-15. Фазы митоза. 77
Гистология Рис. 3-16. Деление клеток в культуре. Окраска: пикросириус—гематоксилин. Среднее увеличение. А — интерфазные ядра. Обратите внимание на хроматин и ядрышки внутри каждого ядра. Б — профаза Отсутствие заметной ядерной оболочки и ядрышек. Конденсированные хромосомы. В — метафаза. Хромосомы лежат в виде пластинки у клеточного экватора. Г — поздняя анафаза. Хромосомы располагаются у обоих полюсов клетки, что обеспечивает равномерное распределение ДНК между дочерними клетками 78
Глава 3- Ядро клетки Рис. 3-17. Клетки в культуре (конфокальная лазерная сканирующая микроскопия). Представлены клетка с интерфазным ядром и несколько клеток в различных фазах митоза. ДНК окрашена в красный цвет, а микротрубочки в цитоплазме — в синий. Среднее увеличение. А — интерфаза. Неделящаяся клетка. Б — профаза. Структура синего цвета над ядром — цен- тросома. Обратите внимание, что хромосомы становятся видимыми вследствие их конденсации. Цитоплазма приобретает округлую форму, типичную для клеток, находящихся в митозе. В — метафаза. Хромосомы собраны в экваториальной плоскости. Г — анафаза. Хромосомы растаскиваются к полюсам клетки благодаря активности микротрубочек. Д — ранняя телофаза. Два набора хромосом достигли полюсов клетки с тем, чтобы дать начало двум дочерним клеткам, которые будут содержать такие же хромосомные наборы, что и материнская клетка. Е — телофаза. Цитоплазма разделяется перетяжкой в области клеточного экватора. Обратите внимание, что дочерние клетки имеют круглую форму и меньшие размеры по сравнению с материнской клеткой. Вскоре они станут увеличиваться в размерах и приобретут удлиненную форму. (С любезного разрешения R. Manelli-Oliveira, R. Cabado и G. Machado-Santelli.) зованием пузырьков, остающихся в цитоплазме. Центросомы со своими центриолями разделяются и далее мигрируют к каждому из полюсов клетки. Удвоение центросом и центриолей начинается в интерфазе, до митоза. Одновременно с миграцией центросом, между двумя центросомами появляются микротрубочки митотического веретена, а ядрышко распадается. Метафаза — во время этой фазы хромосомы в результате активности микротрубочек мигрируют к экваториальной плоскости клетки, где каждая из них продольно расщепляется с образованием двух хромосом, называемых сестринскими хроматидами. Хроматиды связаны с микротрубочками митотичес- кого веретена (рис 3-18 и 3-19); местом их прикреп- ления служит электронно-плотная ДНК-белковая пластинка — кинетохора (греч. kinetos — двигающий- ся + chora — центральный участок), расположенная вблизи центромеры каждой хроматиды. Центромера (греч. kentron — центр + meros — часть) представляет собой суженный участок митотической хромосомы, который удерживает вместе две сестринские хрома- тиды вплоть до начала анафазы. Анафаза включает отделение сестринских хрома- тид друг от друга и их перемещение к противополож- ным полюсам клетки в результате тяги микротрубо- чек. В ходе этого процесса центромеры удаляются от центра клетки и тянут за собой оставшуюся часть хромосомы. Телофаза характеризуется восстановлением ядра в дочерних клетках. Хромосомы вновь возвращаются к своему полуконденсированному состоянию, снова появляются ядрышки, хроматин и ядерная оболочка. В то время, когда происходят эти изменения ядра, в экваториальной плоскости материнской клетки образуется сужение, которое углубляется до тех пор, пока цитоплазма и ее органеллы не будут разделены на две части. Это сужение обусловлено деятельнос- тью микрофиламентов, состоящих из актина, связан- ного с миозином, — они накапливаются и образуют подобие пояска под клеточной мембраной. Большая часть тканей характеризуются постоян- ным обновлением клеток вследствие непрерывного клеточного деления и непрекращающейся гибели клеток. Исключение составляют клетки нервной ткани и сердечной мышцы2, так как они не делятся в постнатальном периоде и, следовательно, не могут регенерировать. Скорость обновления клеток очень сильно варьирует от одной ткани к другой — она очень высока в эпителии пищеварительного тракта 79
Гистология Рис. 3-18. Метафаза сперматоцита петуха Видны две центриоли на каждом полюсе, митотическое веретено, образованное микротрубочками, и хромосомы в эквато- риальной плоскости. Стрелки указывают места внедрения микротрубочек в центромеры. Уменьшено с оригинала. Электронная микрофотография, *19 000 (С любезного разрешения R. Mcintosh.) Рис. 3-19. Метафаза клетки легкого человека в тканевой культуре. Обратите внимание на внедрение микротрубочек в центромеры (стрелки) тем- ноокрашенных хромосом. Электронная микрофотогра- фия. Уменьшено с оригинала х50000 (С любезного разре- шения R. Mcintosh.) 80
Глава 3. Ядро клетки и эпидермисе и мала в поджелудочной и щитовидной железах. КЛЕТОЧНЫЙ ЦИКЛ Митоз является видимым проявлением клеточного деления, однако в размножении клеток важнейшую роль играют и другие процессы, не столь легко на- блюдаемые под световым микроскопом. Главным из них является репликация ДНК. Этот процесс можно проанализировать путем введения в клетку радиоактивных предшественников ДНК (например, рН]тимидина) и их последующего выявления био- химическими и авторадиографическими методами. Период, в течение которого происходит репликация ДНК, — интерфаза — не сопровождается заметными при микроскопии явлениями, связанными с клеточ- ным делением. Такое чередование митоза и интерфа- зы, известное как клеточный цикл, происходит во всех тканях, где имеется обновление клеток. Тщательное исследование клеточного цикла показывает, что его можно разделить на две стадии: митоз, состоящий из вышеописанных четырех фаз (профазы, мета- фазы, анафазы, телофазы), и интерфазу (рис. 3-20 иЗ-21). Интерфаза в свою очередь подразделяется на три фазы: Gj (пресинтетическую), S (синтез ДНК) и G2 (после удвоения ДН К) Последовательность этих фаз и приблизительная их продолжительность показаны на рис. 3-20 и 3-21. S-фаза характеризуется синтезом Д Н К и началом удвоения центросом с их центриоля- Рис. 3-21. Четыре фазы клеточного цикла. В фазе G( клетка либо продолжает находиться в цикле, либо входит в фазу покоя, называемую Go. Большинство клеток могут вер- нуться в цикл из этой фазы, но некоторые из них остаются в Go в течение длительного времени или даже на протяже- нии всей своей жизни. В условиях, неблагоприятных для клетки, цикл останавливается в критической точке, или точке рестрикции (R) в G г Когда клетка преодолевает эту точку рестрикции, она продолжает цикл, проходя через фазу синтеза (S) и С2-фазу, давая в результате митоза (М) начало двум дочерним клеткам, если только не произойдет остановка в другой точке рестрикции (не показана) в G2. Рис. 3-20. Фазы клеточного цикла в костной ткани. С(-фаза (пресинтетическая) варьирует по длительности в зависимости от многих факторов, включая скорость клеточного деления в данной ткани. В костной ткани О^фаза длится 25 ч. S-фаза (синтез ДНК) продолжается около 8 ч С2-фаза совместно с фазой митоза длится 2,5—3 ч. (Данные о продолжительности фаз любезно предоставлены R.W. Young.) 81
Гистология ми. Во время Gj-фазы происходит интенсивный син- тез РНК и белков, включая белки, которые регули- руют клеточный цикл, при этом объем клетки, ранее уменьшившийся в результате митоза до половины исходного, восстанавливается до своего нормального уровня. В клетках, которые не делятся непрерывно, активность клеточного цикла может прекратиться на время или окончательно. Клетки, находящиеся в таком состоянии (например, мышечные, нервные), описывают как пребывающие в фазе Go. Регуляция клеточного цикла у млекопитающих осуществляется сложными механизмами. Известно, что культивируемые клетки в отсутствие сыворотки прекращают пролиферацию и останавливаются в Go. В сыворотке крови содержатся высокоспеци- фические белки — факторы роста — незаменимые компоненты, способствующие делению клеток даже в очень низких концентрациях. Клеточный цикл регулируется также разнооб- разными сигналами, которые угнетают процесс прохождения клетки по циклу. Повреждение ДНК приводит к остановке клеточного цикла не только в G2, но также и в «контрольной точке» (точке рест- рикции) в Gj (см. рис. 3-21). Остановка в Gj позво- ляет осуществить устранение поломки (репарацию) ДНК до того, как клетка войдет в S-фазу, в которой происходила бы репликация поврежденной ДНК. В клетках млекопитающих блокирование цикла в контрольной точке в G] опосредовано действием белка, называемого р53. Ген, кодирующий р53, в раковых клетках у человека часто изменяется вследс- твие мутации, тем самым снижается способность клетки осуществлять репарацию поврежденной ДНК. Наследование поврежденной ДНК дочерними клетками приводит к повышенной частоте мутаций и общей нестабильности генома, что может способс- твовать развитию рака. Процессы, происходящие в течение С2-фазы, включают накопление энергии, которая будет использоваться во время митоза, син- тез тубулина, который подвергнется сборке с обра- зованием микротрубочек митотического веретена, и синтез хромосомных негистоновых белков. В фазе G2 также имеется критическая точка, в которой клетка остается до тех пор, пока не произойдет коррекции всей ДНК, синтезированной с дефектами. В фазе G2 происходит накопление белкового комплекса — фактора, обеспечивающего созревание, или М-сти- v МЕДИЦИНСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ Некоторые факторы роста используются в меди- цине. Примером может служить эритропоэтин, который усиливает пролиферацию, дифферен- цировку и жизнеспособность предшественников эритроцитов в красном костном мозгу. мулирующего фактора (МСФ, или MPF — maturation promoting factor), который индуцирует начало митоза, конденсацию хромосом, разрыв ядерной оболочки и другие события, связанные с митозом. МЕДИЦИНСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ Быстрорастущие ткани (например, эпителий кишки) часто содержат митотически делящиеся клетки, чего не наблюдается в медленнорастущих тканях. Увеличенное количество фигур мито- за и аномальные митозы в опухолях являются важными характеристиками, которые отличают злокачественные опухоли от доброкачественных. Организм обладает сложными регуляторными системами, которые контролируют репродукцию клеток, либо стимулируя, либо угнетая митоз. Нормальную пролиферацию и дифференцировку клеток контролирует группа генов — протоон- когены; нарушения структуры или экспрессии этих генов приводят к развитию опухолей. Изме- ненные протоонкогены содержатся в вирусах, вызывающих опухоли, они, вероятно, имеют кле- точное происхождение. Измененная активность онкогенов может возникнуть вследствие нару- шения последовательности в молекуле ДНК (му- тации), увеличения числа генов (амплификации генов), либо реаранжировки генов, при которой гены перемещаются в участок вблизи активного промотера. Была установлена связь между из- мененными онкогенами и развитием некоторых опухолей и гематологических новообразований. Белки, стимулирующие митотическую активность в различных типах клеток, включают фактор роста нервов, эпидермальный фактор роста, фактор роста фибробластов и предшественники фактора роста эритроцитов (эритропоэтина); список этих белков расширяется и быстро растет (см. главу 13). Пролиферация клеток обычно регулируется точ- ными механизмами, которые, когда необходимо, могут стимулировать или задерживать митоз в зависимости от потребности организма. Ряд факторов (например, химические вещества, не- которые виды облучения, вирусные инфекции) способен вызвать повреждение ДНК, мутацию и аномальную пролиферацию клеток, которые обходят нормальные регуляторные механизмы контролируемого роста и приводят к образова- нию опухолей. Термин «опухоль», первоначально употребляв- шийся для обозначения любой ограниченной припухлости в организме, вызванной воспалением или аномальной пролиферацией клеток, в насто- ящее время обычно используется как синоним 82
Глава 3, Ядро клетки терминов «новообразование, неоплазия» (греч. neos — новый + plasma — образование). Новооб- разование можно определить как патологическую массу ткани, образованную вследствие нерегу- лируемой пролиферации клеток. Новообразова- ния могут быть либо доброкачественными, либо злокачественными в зависимости от имеющихся у них признаков — медленного и неинвазивного роста (доброкачественные) или быстрого роста и выраженной способности врастать в другие ткани и органы (злокачественные). Рак — это распро- страненный термин, которым обозначают все злокачественные опухоли (рис. 3-22 и 3-23). АПОПТОЗ Апоптоз впервые был открыт при изучении раз- вивающихся эмбрионов, причем была установлена важность запрограммированной клеточной гибели как процесса, определяющего форму эмбриона (мор- фогенез). В дальнейшем исследователи отметили, что апоптоз является также распространенным явлением в тканях нормальных взрослых организмов. При апоптозе клетка и ее ядро становятся более компактными, уменьшаясь в размерах. На этой ста- дии апоптозная клетка содержит темноокрашенное (пикнотическое) ядро, легко узнаваемое под свето- вым микроскопом (рис. 3-24). Далее хроматин рас- щепляется на фрагменты посредством ДНК-эндо- нуклеаз. Во время апоптоза в клетке обнаруживаются крупные цитоплазматические пузырьки (вздутия), Пролиферация клеток, необходимая для обновле- ния и роста, является процессом, физиологическое значение которого очевидно. Менее очевидным, но не менее важным для функций организма и его здоровья является процесс запрограммированной клеточной гибели, известной как апоптоз. Следует привести несколько примеров апоптоза, которые проиллюстрируют его значение. Большая часть Т-лимфоцитов, образующихся в тимусе, обладают способностью атаковать и разру- шать компоненты тела и могли бы вызвать серьезные повреждения, если они попадут в кровоток. Однако внутри тимуса эти Т-лимфоциты получают сигналы, которые активируют апоптозную программу, зако- дированную в их хромосомах. Поэтому они разру- шаются механизмом апоптоза прежде, чем покинут тимус (см. главу 14). МЕДИЦИНСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ Большинство клеток организма способны ак- тивировать свою программу апоптоза, когда существенные изменения происходят в их ДНК, например, непосредственно перед появлением опухоли, когда в ДНК уже накопилось значитель- ное число мутаций. Таким путем апоптоз предо- твращает пролиферацию злокачественных кле- ток, которые возникают вследствие накопленных мутаций ДНК. Для того, чтобы сформировать клон и развиться в опухоль, злокачественным клеткам необходимо инактивировать гены, которые конт- ролируют процесс апоптоза. Рис. 3-22. Злокачественная эпителиальная опухоль кожи (плоскоклеточный рак). Признаками злокачественности яв- ляются увеличение числа митотически делящихся клеток и разнообразие морфологических признаков ядер. Окраска: парарозанилин—толуидиновый синий. Среднее увеличение. 83
Гистология которые отделяются от ее поверхности (рис. 3-25). Эти отделившиеся фрагменты (апоптозные тельца) окружены плазматической мембраной, которая изменяется таким образом, что все остатки клетки легко поглощаются, или фагоцитируются, главным образом макрофагами3. Однако в макрофагах апоп- тозные тельца не вызывают синтеза молекул, запус- кающих воспалительный процесс (см. ниже). Рис. 3-23. Быстрорастущая злокачественная эпителиальная опухоль кожи. Заметны повышенное количество митотически делящихся клеток и резко выраженное разнообразие морфологических признаков ядер. Окраска: гематоксилин—эозин. Среднее увеличение. Рис. 3-24. Молочная железа животного после прерывания лактации на 5 суток. Обратите внимание на атрофию эпите- лиальных клеток и расширение просвета альвеол, содержащего несколько отделившихся клеток, которые, как видно по изменениям их ядер, находятся в процессе апоптоза. Окраска: парарозанилин—толуидиновый синий Среднее уве- личение. 84
Глава 3. Ядро клетки Рис. 3-25. Клетка, претерпе- вающая апоптоз. Цитоплазма подвергается процессу фраг- ментации с образованием пузырей, сохраняющих свою плазматическую мембрану. Эти пузыри в дальнейшем фагоцитируются макрофа- гами без развития воспали- тельной реакции. При этом вещества, содержащиеся во фрагментах цитоплазмы, не выделяются во внеклеточ- ное пространство. Электрон- ная микрофотография. т МЕДИЦИНСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ Гибель клеток в результате «несчастного слу- чая» — патологический процесс, который извес- тен как некроз. Некроз может быть вызван дейс- твием микроорганизмов, вирусов, химических и других вредных факторов. Некротические клетки набухают; их органеллы увеличиваются в объеме; в конечном итоге они разрываются, выделяя свое содержимое во внеклеточное пространство. Мак- рофаги поглощают детрит некротических клеток посредством фагоцитоза, а затем секретируют молекулы, которые активируют другие клетки иммунной защиты, вызывая воспаление СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ Cooper G.M The Cell: A Molecular Approach. — ASM Press/ Sinaner Associates, Inc., 1997. Doye V., Hurl E. From nucleoporins to nuclear pore complexes // Curr. Opin. Cell. Biol. — 1997. — Vol. 9. — P. 401. Duke R.C. et al. Cell suicide in health and disease // Sci. Am. - 1996. - Vol. 275(6). - P. 48. Fawcett D. The Cell. — 2nd ed. — Saunders, 1981. Goodman S.R. Medical Cell Biology. — Lippincott. 1994. Jordan E.G.. CullisC.A. (editors). The Nucleolus. — Cambndge University Press. 1982. Kornberg R.D., Klug A. The nucleosome // Sci. Am. — 1981. — Vol. 244. - P. 52. Krstic R.V Ultrastructure of the Mammalian Cell. — Springer- Verlag, 1979. Lloyd D. et al. The Cell Division Cycle. — Academic Press, 1982. Melese T, Xue Z. The nucleolus: an organelle formed by the act of building a ribosome // Curr. Opin. Cell. Biol. — 1995. — Vol. 7.-P. 319. Trent RJ. Molecular Medicine. An Introductory Text for Students. — Churchill Livingstone, 1993. Watson J.D. etal. Recombinant D.N.A. — 2nd ed. — Scientific American Books, 1992.
ГЛАВА 4 ЭПИТЕЛИАЛЬНАЯ ТКАНЬ Несмотря на всю свою сложность, в теле человека имеются лишь четыре главных типа тканей: эпите- лиальная, соединительная, мышечная и нервная. В состав этих тканей входят клетки и молекулы, образующие межклеточное вещество (внеклеточный матрикс). Ткани существуют не изолированно друг от друга, а, напротив, связаны между собой в раз- личных соотношениях, образуя разные органы и системы тела. Основные характеристики этих главных типов тканей представлены в табл. 4-1. Большое функциональное значение имеют также свободные клетки, которые обнаруживаются в тка- невых жидкостях, таких, как кровь и лимфа. Таблица 4-1. Основные характеристики главных типов тканей Ткань Клетки Меж- клеточное вещество Главные функции Нервная С перепле- тающимися удлиненными отростками Отсут- ствует Передача нервных импульсов Эпите- лиальная Плотно рас- положенные многогранные Очень небольшое количество Выстилка поверхности тела и полос- тей тела, сек- реторная Мышеч- ная Удлиненные сократимые Умеренное количество Двигательная Соеди- нитель- ная Несколько типов осед- лых и блужда- ющих клеток Очень большое количество Опорная и защитная Соединительная ткань характеризуется обилием межклеточного вещества, которое вырабатывается ее клетками; мышечная ткань состоит из удлиненных клеток, специализированных на функции сокраще- ния, а нервная ткань представлена удлиненными клетками, которые воспринимают, генерируют и передают нервные импульсы. В состав большинства органов входят два компонента: паренхима, образо- ванная клетками, отвечающими за главные функции, свойственные данному органу, и строма, которая является поддерживающей тканью. За исключени- ем головного и спинного мозга, строма образована соединительной тканью. Эпителиальные ткани состоят из плотно располо- женных клеток многогранной формы и очень не- большого количества межклеточного вещества. Эти клетки прочно связаны между собой посредством адгезионных молекул, интердигитаций мембраны и межклеточных соединений. Благодаря этим особен- ностям клетки оказываются способными формиро- вать пласты, которые покрывают поверхность тела и выстилают его полости или образуют трехмерные структуры в виде секреторных отделов. Главными функциями эпителиальных (от греч. epi — сверху и thele — сосок) тканей являются обра- зование покровов и выстилок поверхностей (напри- мер, в коже, кишечнике), всасывание (например, в кишке), секреция (например, в железах), сенсорная (например, вкусовой и обонятельный нейроэпи- телий) и сократительная (например, миоэпители- альные клетки). Поскольку эпителиальные клетки выстилают все наружные и внутренние поверхности тела, все, что попадает в организм или покидает его, должно пройти через пласт эпителия. ФОРМЫ И ХАРАКТЕРИСТИКИ ЭПИТЕЛИАЛЬНЫХ КЛЕТОК Формы и размеры эпителиальных клеток варьируют от высоких (столбчатые клетки)* до более низких (кубические и плоские клетки). Их многогранная форма — результат плотного прилежания в слоях или трехмерных структурах. Сходное явление можно наблюдать, если, например, большое число надутых резиновых шариков втиснуть в ограниченное про- странство. Ядра эпителиальных клеток обладают различной формой, которая варьирует от сфери- ческой до удлиненной или эллиптической. Форма ядер эпителиальных клеток примерно соответствует форме клетки; так, кубические клетки содержат сферические ядра, а плоские клетки — уплощенные. Длинная ось ядра всегда параллельна главной оси клетки. Так как границы между клетками часто неразли- чимы под световым микроскопом, форма ядра клет- ки является важным признаком, характеризующим форму и число клеток. Оценка формы ядра полезна также для того, чтобы определить, располагаются ли клетки в виде нескольких слоев, что служит главным морфологическим критерием при классификации эпителиев. Почти все эпителиальные клетки, выстилают ли они какую-либо поверхность или образуют железис- тые структуры, располагаются на соединительной тка- ни. В том случае, когда эпителии выстилают полости ’ Эти клетки в литературе часто называют также призмати- ческими или цилиндрическими. — Примеч. пер. 86
Глава 4. Эпителиальная ткань внутренних органов (особенно пищеварительной, дыхательной и мочевыделительной систем), этот слой соединительной ткани известен как собственная плас- тинка (лат. — lamina propria). Собственная пластинка не только выполняет поддерживающую функцию по отношению к эпителию, но обеспечивает также его питание и прикрепление к соседним структурам. Площадь контакта между эпителием и собствен- ной пластинкой увеличивается за счет неровностей на поверхности соединительной ткани, имеющих вид небольших выпячиваний, вдающихся в эпите- лий; это — так называемые сосочки (лат. — papillae’, в ед. числе — papilla — уменьшительная форма от papula — сосок). Сосочки встречаются наиболее часто в тех участках, где эпителиальные ткани подвергаются усиленной нагрузке, например, в коже и языке. Часть эпителиальной клетки, которая обращена к соединительной ткани, известна как ее базальный полюс, а противоположная, обычно обращенная к просвету, — как апикальный полюс. Поверхность апикального полюса клетки — это ее свободная по- верхность, к соседним клеткам обращены латераль- ные поверхности. Базальная пластинка и базальная мембрана Большинство эпителиальных клеток отделены от соединительной ткани слоем внеклеточного мате- риала, который известен как базальная пластинка (рис. 4-1). Эта структура видна только под электрон- ным микроскопом и имеет вид плотного слоя толщи- ной 20— 100 нм, состоящего из нежной сеточки тончай- ших фибрилл (плотная пластинка, лат. — lamina densa) (рис. 4-2А). Помимо этого, в базальных пластинках с одной или с обеих сторон от плотной пластин- ки может располагаться электронно-прозрачный слой — светлая, или прозрачная, пластинка (лат. — lamina гага, или lamina lucida). Между слоями эпите- лиальных клеток, не разделенными соединительной тканью, например в альвеолах легкого или почечных клубочках (см. рис. 4-1), базальная пластинка утол- щена в результате слияния базальных пластинок каждого слоя эпителиальных клеток. Базальные пластинки обнаруживаются не только в эпителиальных тканях, но и в участках, где другие типы клеток контактируют с соединительной тка- нью, например вокруг мышечных, жировых клеток и шванновских клеток нервной ткани. Основными компонентами базальных трастинок являются коллаген IV типа, гликопротеины ламинин и энтактин и протеогликаны (например, содержащий гепарансульфат протеогликан, называемый перлека- ном) Точный молекулярный состав указанных ком- понентов варьирует в различных тканях и даже внутри одной ткани. Базальные пластинки прикреплены к подлежащим соединительным тканям посредством якорных фибрилл, образованных коллагеном VII типа (рис. 4-2, Б). Эти компоненты секретируются эпите- Рис. 4-1. Базальная пластинка (всегда располагается на границе между эпителиальными клетками и соеди- нительной тканью). Две базальные пластинки могут сливаться друг с другом в тех участках, где отсутствует разделяющая их соединительная ткань. лиальными, мышечными, жировыми и шванновс- кими клетками. В некоторых случаях с базальными пластинками тесно связана ретикулярная пластинка (лат. — lamina reticularis), образованная ретикулярны- ми волокнами (рис. 4-2, А). Ретикулярные волокна образуются клетками соединительной ткани. Базальные пластинки выполняют многие функ- ции. Помимо простых структурных задач создания опоры для клеток, они формируют барьер, который ограничивает или регулирует обмен макромолекула- ми между соединительной тканью и клетками других тканей. Базальная пластинка способна также влиять на клеточную полярность, регулировать пролифера- цию и дифференцировку клеток благодаря связыва- нию факторов роста, воздействовать на метаболизм клеток и служить путем их миграции. Базальная пластинка, по-видимому, содержит информацию, необходимую для некоторых межклеточных взаи- модействий, таких, например, как реиннервация денервированных мышечных клеток. Присутствие базальной пластинки вокруг мышечной клетки необ- ходимо для формирования новых нервно-мышечных соединений. Термин «базальная мембрана» используется для описания ШИК-положительного слоя, который виден под световым микроскопом и обнаружива- ется под некоторыми эпителиями. На рис. 4-3 по- казаны базальные мембраны в почечном тельце и почечных канальцах. Базальная мембрана обычно образуется в результате объединения либо двух 87
Гистология Эпителиальная Рис. 4-2. А — кожа: область границы между эпителием и соединительной тканью. Видны базальная пластинка (БП) и полудесмосомы (стрелки). Базальная пластинка вместе с частью ретикулярной пластинки (на данной электронной микрофотографии — справа от базальной пластинки) формирует типичную базальную мембрану, которую можно уви- деть под световым микроскопом, х80 ООО. Б — срез кожи человека, на котором видны полудесмосомы (П), базальная пластинка (БП) и якорные фибриллы (стрелки), которые проникают в базальную пластинку. Характерный интервал, разделяющий эти фибриллы, отличает их от более часто встречающихся фибрилл коллагена I типа, х54 ООО. (С любезного разрешения ЕМ. Guerra Rodrigo.) Эпителиальная базальных пластинок между собой (см. рис. 4-1), либо базальной пластинки и ретикулярной пластинки (см. рис. 4-2. А), поэтому она достаточно толстая. Не все исследователи единогласны в отношении значения терминов «базальная мембрана» и «базальная пластин- ка», зачастую эти термины применяются без разграни- чения их смысла, что вызывает путаницу. В настоящей книге термин «базальная пластинка» используется для обозначения плотной пластинки при необязательном присутствии светлых пластинок, которые являются структурами, видимыми лишь под электронным мик- роскопом. Термин «базальная мембрана» применяется для наименования более толстой структуры, выявляе- мой под световым микроскопом. Межклеточная адгезия и межклеточные соединения В обеспечении слипания клеток и их со- общения (коммуникации) между собой участвуют несколько структур, связанных с мембраной. Они присутствуют в боль- шинстве тканей, но очень сильно выражены в эпи- телиях, почему они и описаны в настоящей главе. Эпителиальные клетки крайне прочно связаны друг с другом, поэтому для того, чтобы их разъединить, требуются сравнительно существенные механичес- кие усилия. Межклеточная адгезия особенно хоро- шо выражена в тех эпителиальных тканях, которые подвергаются растяжению и сдавлению (например, в коже). Адгезия частично обусловлена связующим действием семейства трансмембранных гликопро- теинов, называемых кадгеринами. Кадгерины утрачивают свои адгезивные свойства в отсутствие Са2+. Интердигитации между складками мембран соседних клеток также способствуют усилению межклеточной адгезии (рис. 4-4). Латеральные мембраны многих эпителиальных клеток часто содержат несколько типов модифи- цированных мембранных участков, известных как межклеточные соединения. Один тип этих соедине- ний обеспечивает механизм коммуникации между соседними клетками. Другие соединения образуют участки адгезии и герметизирующие устройства, предотвращающие ток веществ через пространства между эпителиальными клетками. В некоторых эпи- телиях различные межклеточные соединения рас- полагаются в определенном порядке в направлении от апикального полюса клетки к базальному. Плотные соединения, или пояски замыкания (лат. — zonulae occludens, в ед. числе — zonula occludens), являются наиболее апикально расположенными из всех межклеточных соединений. Латинская терми- нология дает важную информацию о геометрических характеристиках этого соединения. Слово «поясок» («zonula») отражает тот факт, что это соединение 88
Глава 4. Эпителиальная ткань Рис. 4-3. Почка. Коллаген 1Утипа содержится в базальных мембранах почечного клубочка (гломерулярная базальная мембрана) и почечных канальцев (тубулярная базальная мембрана) — стрелки. В клубочках базальная мембрана, наряду с обеспечением поддерживающей функции, играет важную роль в качестве фильтра. Окраска: пикросири- ус—гематоксилин. Среднее увеличение. Апикальная Микроворсинки Плотное соединение Опоясываящая десмосома Щелевое соединение Складки мембраны Рис. 4-4. Основные специализированные структуры по- верхности эпителиальных клеток. На рисунке показаны три клетки из эпителия кишки. Из средней клетки содер- жимое удалено для того, чтобы продемонстрировать внут- реннюю поверхность мембраны. В плотном соединении (zonula occludens) наружные пластинки соседних мембран сливаются друг с другом. Как плотное соединение, так и опоясывающая десмосома (zonula adherens), имеют вид не- прерывной ленты, окружающей апикальную часть клетки, тогда как десмосомы и щелевые соединения являются кон- тактами в виде ограниченных участков (пятен). Складки мембраны и микроворсинки увеличивают площадь повер- хности мембраны и усиливают как обмен веществ через мембрану, так и адгезию между клетками. (Перерисовано и воспроизведено с разрешения из Krstic R.V. Ultrastructure of the Mammalian Cell. — Springer-Verlag, 1979.) имеет вид полоски, целиком окружающей клетку (см. рис. 4-4), а слово «замыкания» («occludens») относится к участкам слияния мембран, которые перекрывают (замыкают) межклеточное пространс- тво. При исследовании хорошо окрашенных тонких срезов под трансмиссионным электронным микро- скопом обнаруживаются участки слияния наружных листков мембран соседних клеток, в результате чего в них образуются пятислойные пласты. В зависи- мости от типа эпителия можно заметить от одного до нескольких таких участков слияния (рис. 4-4 и 4-5). При исследовании эпителиальных клеток методом замораживания-скалывания (криофрактог- рафии) можно увидеть анастомозирующие гребешки и канавки, которые образуют сетевидную структуру, соответствующую участкам слияния, выявляемым на обычных тонких срезах (рис. 4-6). Между числом гребешков и канавок, или участков слияния, с одной стороны, и проницаемостью эпителия, с другой, существует высокая степень корреляции. Эпителии с одним участком слияния или с их небольшим чис- лом (например, в почечных канальцах проксималь- ного отдела нефрона) более проницаемы для воды и растворов, чем эпителии с многочисленными участ- ками слияния (например, в мочевом пузыре). Таким образом, главной функцией плотных соединений является формирование «замка», который препятс- твует перемещению материала в пространстве между эпителиальными клетками (по так называемому паранеллюлярному пути) в обоих направлениях (от апикального края к базальному и от базального к апикальному; см. рис. 4-24). Тем самым плотное соединение участвует в образовании двух функци- ональных отделов (компартментов): апикального, который состоит из полости органа (такой, как, на- пример, просвет кишки) или полости секреторного 89
Гистология Рис. 4-5. Две эпителиальные клетки толстой кишки. Клетки связаны комплексом соединений, включающим поясок замыкания (ПЗ) и поясок слипания (ПС) Видны также десмосома (Д) и микроворсинка (МВ). Электронная микрофотография, х80 ООО. отдела, и базального, который начинается в области соединений и охватывает подлежащие ткани. Во многих эпителиях следующим типом соеди- нения. который обнаруживается между клетками, является поясок слипания" [(лат. — zonula adherens), см. рис. 4-4 и 4-5]. Это соединение целиком окружает клетку и обеспечивает прилипание (адгезию) одной клетки к соседним. Важным признаком этого соеди- нения является внедрение многочисленных актино- вых филаментов в электронно-плотные пластинки материала на цитоплазматических поверхностях мембран в области соединения. Филаменты прина- длежат к сплетению актиновых филаментов, промежу- точных филаментов и спектрина вблизи свободной поверхности, известному как терминальная сеть. Щелевые, или коммуникационные, соединения могут встречаться в любом участке вдоль латераль- ных мембран эпителиальных клеток. На самом деле щелевые соединения обнаруживаются почти во всех тканях млекопитающих, главным исключением из которых является скелетная мышца. На обычных трансмиссионных электронных микрофотографиях они выявляются как участки близко (на расстоянии 2 нм) прилежащих друг к другу мембран соседних клеток (рис. 4-7А и В). На препаратах, полученных методом замораживания-скалывания, эти соедине- ния видны как агрегаты внутри мембранных частиц, расположенных в виде округлых скоплений в плаз- матической мембране (рис. 4-7Б). Структурной единицей щелевого соединения является коннексон. В состав каждого коннексона входят белки щелевых соединений — коннексины, которые образуют группу из шести субъединиц, в центре которой остается гидрофильная пора диа- метром 1,5 нм. Коннексоны соседних клеток распо- лагаются на одном уровне, формируя гидрофильный канал между двумя клетками (рис. 4-7А). Каждое шелевое соединение образовано десятками или со- тнями стыкующихся между собой пар коннексонов. Коннексины принадлежат к семейству родственных белков, которые имеют различное распределение и формируют каналы с различающимися физиологи- ческими свойствами. Щелевые соединения обеспе- чивают обмен между клетками молекулами с массой <1500 Дальтон. Сигнальные молекулы, такие, как гормоны, цАМФ и цГМФ (циклический гуанозин- монофосфат), а также ионы, способны перемещаться через щелевые соединения, благодаря чему клетки во многих тканях функционируют координирован- но, а не как независимые образования. Типичным примером служат сердечные мышечные клетки (кардиомиоциты), поскольку щелевые соединения между ними в значительной мере ответственны за координированное биение сердца. Последним типом межклеточных соединений является десмосома (греч. desmos — тяж, soma— тело), или пятно слипания (лат. — macula adherens) (см. рис. 4-4 и 4-5). Десмосома представляет собой сложную дисковидную структуру на поверхности * Называемый также опоясывающей десмосомой или про- межуточным соединением. — Примеч. пер. 90
Глава 4. Эпителиальная ткань Рис. 4-6. Эпителиальная клетка тонкой кишки. Пре- парат получен методом за- мораживания-скалывания. В верхней части видны мик- роворсинки, сколотые попе- речно; в нижней части скол проходит через цитоплазму. В средней части мембрана расщеплена, и в ней видны бороздки, которые в дейс- твительности расположены в липидном слое плазмолем- мы. Эти бороздки участвуют в формировании пояска замыкания. Электронная микрофотография, х 100 000. (С любезного разрешения Р. Pinto da Silva.) одной клетки, которой соответствует идентичная структура на поверхности соседней клетки. Клеточ- ные мембраны в этом участке очень прямые и часто располагаются в некотором отдалении друг от друга (на расстоянии >30 нм), что превышает обычный промежуток 20 нм. С цитозольной стороны мемб- раны каждой клетки, на небольшом расстоянии от нее, находится округлая пластинка из плотного ма- териала — пластинка прикрепления, в состав которой входят не менее 12 различных белков. В пластинки прикрепления эпителиальных клеток проникают группы промежуточных цитокератиновых филамен- тов, либо же они заворачивают обратно (наподобие шпильки для волос) и возвращаются в цитоплазму. Поскольку промежуточные филаменты цитоскелета эпителиальных клеток очень прочные, десмосомы обеспечивают устойчивую адгезию между клетками. В неэпителиальных клетках промежуточные фила- менты, прикрепленные к десмосомам, состоят не из цитокератина, а из других белков, таких, как десмин или виментин. В адгезии, которая обеспечивается де - смосомами, участвуют белки семейства кадгеринов. В условиях in vitro адгезивные свойства утрачиваются после удаления Са2+. В зоне контакта между некоторыми эпителиаль- ными клетками и базальной пластинкой часто обна- руживаются полудесмосомы. Эти структуры имеют вид половины десмосомы и прикрепляют эпители- альную клетку к подлежащей базальной пластинке. Однако в десмосомах пластинки прикрепления содержат преимущественно кадгерины, тогда как в полудесмосомах пластинки прикрепления состоят из интегринов, семейства трансмембранных белков, которые являются участками связывания неклеточных макромолекул — ламинина и коллагена IV типа. СПЕЦИАЛИЗИРОВАННЫЕ СТРУКТУРЫ КЛЕТОЧНОЙ ПОВЕРХНОСТИ Свободная, или апикальная, поверхность многих типов эпителиальных клеток со- держит специализированные структуры, которые увеличивают площадь поверх- ности клетки или перемещают вещества и частицы по эпителию Микроворсинки При исследовании под электронным микроскопом обнаруживается, что цитоплазма большинства клеток в различных тканях образует выпячивания. Некоторые из этих выпячиваний являются склад- ками, которые имеют извитой ход и располагаются преимущественно на латеральных поверхностях клеток (см. рис. 4-4). Другие выпячивания, микро- 91
Гистология Рис. 4-7. Щелевое соединение. А — модель щелевого соединения — вид на косом разрезе Каналы (стрелка) образованы парами прилежащих коннексонов, кото- рые в свою очередь состоят из шести белковых субъ- единиц, пронизывающих липидный бислой каждой из клеточных мембран. Диаметр канала составляет около 1,5 нм, что ограничивает размер молекул, спо- собных проходить через него. Этим путем из клетки в клетку могут транспортироваться питательные вещес- тва и сигнальные молекулы, при этом не происходит потери материала из-за его попадания в межклеточ- ное пространство. (Воспроизведено с разрешения из Staehelin L.A., Hull В.Е. Junctions between living cells// Sci Am. — 1978. — Vol. 238. — P. 41. Copyright © 1978 by Scientific American, Inc. All rights reserved.) Б — щелевое соединение — вид на препарате, приготовленном ме- тодом замораживания-скалывания. Соединение имеет вид скопления внутримембранных белковых частиц в виде пластинки. х45 ООО. (С любезного разрешения Р. Pinto da Silva). В — щелевое соединение (стрелка) клеток печени крысы — вид при использовании транс- миссионной электронной микроскопии. В области со- единения мембран прилежащие клетки разделены узким пространством, или щелью, шириной примерно 2 нм, х193 ООО. (С любезного разрешения М.С. Williams.) ворсинки (лат. — microvilli — от греч. mikros — мел- кий + лат. villus — пучок волос), представляют собой пальцевидные выпячивания высотой около 1 мкм и шириной 0,08 мкм. Они обнаруживаются главным образом на свободной поверхности клеток. Сотни микроворсинок находятся на всасывающих клетках, например, образующих выстилающий эпителий тонкой кишки или стенку проксимального отдела почечного канальца (рис. 4-8 и 4-9). В этих всасы- вающих клетках гликокаликс толще, чем в боль- шинстве других клеток. Комплекс микроворсинок и гликокаликса можно выявить с использованием светового микроскопа; он известен как щеточная, или исчерченная, каемка. Внутри микроворсинок находятся актиновые филаменты в виде пучков (см. рис. 4-8 и 4-9), в которых они связаны между собой поперечными сшивками, ас покрывающей их плазмолеммой — несколькими другими белками. Стереоцилии Стереоцилии представляют собой длинные не- подвижные выросты клеток придатка яичка и семявыносящего протока, которые, по сути, яв- ляются длинными и ветвящимися микроворсин- ками, поэтому их не следует путать с истинными 92
Глава 4. Эпителиальная ткань Рис. 4-8. Апикальная часть эпителиальной клетки кишки. Терминальное сплетение является сетью, содержащей пре- имущественно актиновые филаменты. Хорошо видны филаменты, образующие центральную часть микроворсинок. С плазмолеммой микроворсинок связан слой внеклеточного (экстрацеллюлярного) материала — гликокаликс Транс- миссионная электронная микроскопия, х45 ООО. ресничками*. Стереоцилии увеличивают площадь поверхности клетки, облегчая перемещение моле- кул в клетку и из нее. Реснички и жгутики Реснички представляют собой цилиндрические под- вижные структуры длиной 5—10 мкм и диаметром 0,2 мкм, расположенные на поверхности некоторых эпителиальных клеток. Они покрыты клеточной мембраной и содержат центральную пару изоли- рованных микротрубочек, окруженную девятью периферическими парами связанных между собой микротрубочек (рис. 4-10). У основания ресничек находятся связанные с ними базальные тельца, которые имеют вид мелких цилиндрических структур, расположенных у апи- кального полюса непосредственно под клеточной мембраной (см. рис. 4-10). Базальные тельца по сво- ей структуре аналогичны центриолям (см. главу 2). В живых организмах реснички обладают быстрым движением в направлении взад и вперед. Часто движе- ния ресничек координированы между собой, благодаря чему обеспечивается ток жидкости или перемещение частиц в одном направлении по поверхности эпителия. ' I акой путанице способствует сходство латинских (и англо- язычных) терминов, обозначающих эти структуры: stereocilia — «стереоцилии» и cilia — «реснички». В русском языке указан- ные термины несхожи, поэтому терминологическая путаница вряд ли возможна. — Примеч. пер. Источником энергии для движения ресничек служит АТФ. По имеющимся оценкам, реснитчатая клетка трахеи содержит около 250 ресничек. Жгутики имеются у человека только в сперматозо- идах; по своей структуре они сходны с ресничками, но значительно длиннее их. В каждой клетке имеется лишь один жгутик. ТИПЫ ЭПИТЕЛИЕВ Эпителии в зависимости от их строения и функции разделяются на две основные группы: покровные эпителии и железистые эпителии Это подразделение является произвольным, поскольку имеются пок- ровные эпителии, клетки которых обладают секре- торной функцией (например, покровный эпителий желудка) или в которых железистые клетки череду- ются с покровными клетками (например, слизистые бокаловидные клетки в тонкой кишке или трахее). Покровные эпителии В покровных эпителиях клетки организованы в слои, которые покрывают наружную поверхность тела или выстилают полости тела. Их можно классифициро- вать в соответствии с числом клеточных слоев или морфологическими особенностями клеток повер- хностного слоя (табл. 4-2). Однослойный эпителий (рис. 4-11) образован только одним слоем клеток, а 93
Гистология Рис. 4-9. Микроворсинки в апикальном участке клетки выстилки кишки (поперечный разрез). Обратите внима- ние на поперечно разрезанные микрофиламенты внутри микроворсинок. Отчетливо выявляется покрывающая микроворсинки снаружи элементарная биологическая мембрана, которая окружена слоем гликокаликса. Элек- тронная микрофотография, х100 ООО. многослойный эпителий содержит более одного слоя (рис. 4-12). На основании формы клеток однослойные эпите- лии разделяются на плоские, кубические и столбчатые (призматические, цилиндрические) (рис. 4-13 — 4-16). Эвдотелий, который выстилает кровеносные и лимфа- тические сосуды, и мезотелий, выстилающий ряд таких полостей тела, как плевральная и брюшная, и покрыва- ющий внутренние органы, являются примерами одно- слойного плоского эпителия (см. рис. 4-13 и 4-14). Примерами кубического эпителия служат пок- ровный эпителий яичника и клетки, образующие некоторые трубчатые структуры в железах и в почке (см. рис. 4-15). Столбчатые эпителии выстилают кишку, матку и другие органы (см. рис. 4-16). Многослойный эпителий (рис. 4-17 и 4-18) класси- фицируется в соответствии с формой клеток его повер- хностного слоя и разделяется на плоский, кубический, столбчатый и переходный. Многорядный эпителий образует отдельную группу, о чем говорится ниже. Многослойный плоский эпителий обнаруживается преимущественно в участках, которые подвергаются трению (кожа, ротовая полость, пищевод, влагали- ще). Его клетки располагаются в виде многих слоев, причем те из них, что контактируют с подлежащей соединительной тканью, обычно имеют кубичес- кую или столбчатую форму. По мере того, как они постепенно перемещаются в сторону поверхности эпителия, клетки приобретают неправильную форму и уплощаются, становясь очень тонкими и плоскими (см. рис. 4-17). Многослойный плоский ороговеваю- щий эпителий покрывает сухие поверхности, такие, как кожа1. Многослойный плоский неороговева- ющий эпителий покрывает влажные поверхности. В отличие от неороговевающего эпителия, наиболее поверхностные клетки ороговевающего эпителия подвергаются инволюции и превращаются в мертвые белковые чешуйки, не содержащие различимых ядер (см. главу 18 для более детальных сведений). Многослойный столбчатый эпителий встречает- ся редко; в теле человека он присутствует только в таких небольших участках, как конъюнктива глаза и крупные протоки слюнных желез2. Переходный эпителий, который выстилает мочевой пузырь, мочеточник и верхнюю часть мочеиспуска- тельного канала3, имеет характерный поверхност- ный слой, состоящий из куполообразных клеток, которые не являются ни плоскими, ни столбчатыми (рис. 4-18). Форма этих клеток изменяется в зависи- мости от степени растяжения мочевого пузыря. Этот тип эпителия подробно обсуждается в главе 19. Многорядный эпителий (ложномногослойный эпи- телий) получил свое название, потому что при его изучении создается впечатление, что ядра клеток располагаются в различных слоях. Между тем, все клетки прикреплены к базальной пластинке, хотя некоторые из них и не достигают поверхности. На- иболее известным примером этой ткани является многорядный столбчатый реснитчатый эпителий дыхательных путей (рис. 4-19). Заслуживают краткого упоминания еще два типа эпителия. Нейроэпителиальные клетки — это клетки эпителиального происхождения со специализиро- ванными сенсорными функциями (например, клетки вкусовых луковиц и клетки обонятельной слизистой оболочки). Миоэпителиальные клетки представляют собой отростчатые клетки, которые содержат мио- зин и большое количество актиновых филаментов. Они специализированы на сокращении, сдавливая главным образом секреторные концевые отделы молочных, потовых и слюнных желез. Железистые эпителии Железистые эпителии образованы клетками, специ- ализированными на выработке секретов. Молекулы, 94
Глава 4. Эпителиальная ткань Рис. 4-10. Апикальная часть реснитчатой эпителиальной клетки. Реснички видны в продольном разрезе. Слева стрелки указывают на центральную и периферическую микротрубочки аксонемы. Стрелка справа указывает на плазматическую мембрану, покрывающую реснички. Каждая ресничка происходит из базального тельца (Б). Имеются также микровор- синки (МВ). Электронная микроскопия, х59 ООО. Врезка: реснички в поперечном разрезе. В каждой ресничке хорошо заметны девять периферических пар и одна центральная пара микротрубочек. х80 ООО. (Воспроизведено с разрешения из Junqueira L.C.U., Salles L.M.M. Ultra-Estrutu га e Funcao Celular. — Edgard Blucher, 1975.) Таблица 4-2. Типы покровных эпителиев, наиболее распространенные в организме человека Тип Форма клеток Примеры расположения Основная функция Одно- слойный Плоский Выстилка сосудов (эндотелий) Серозная выстилка полостей: перикард, плевра, брюшина (мезо- телий) Облегчает движения внутренних органов (мезотелий), активный транспорт механизмом пиноци- тоза (мезотелий и эндотелий), секреция биологически активных молекул (мезотелий) Кубический Покровный слой яичника, щито- видная железа Покровная выстилка, секреция Столбчатый Выстилка кишки, желчного пузыря Защита, смазка, всасывание, секреция Одно- рядный В одних участках — столбчатый, в других — кубический Выстилка трахеи, бронхов, носо- вой полости Защита, секреция; опосредован- ный ресничками транспорт час- тиц, захваченных слизью Много- слойный Поверхностный слой — плоский ороговевающий (сухой) Эпидермис Защита; предотвращение потери воды Поверхностный слой — плоский неороговевающий (влажный) Ротовая полость, пищевод, гор- тань, влагалище, анальный канал Защита, секреция: предотвраще- ние потери воды Кубический Потовые железы, развивающиеся фолликулы яичника Защита, секреция Переходный: от куполообразного до уплощенного, в зависимости от функционального состояния органа Мочевой пузырь, мочеточники, почечные чашечки Защита, растяжимость Столбчатый Конъюнктива Защита 95
Гистология А. Однослойный плоский эпителий Капилляры Эпителий Базальная мембрана Соедини- тельная ткань Б. Однослойный кубический эпителий Капилляры Эпителий Базальная мембрана Соедини- тельная ткань В. Однослойный реснитчатый столбчатый эпителий Капилляры Рис. 4-11. Схема строения однослойных эпител иев Все эпителии отделены от подлежащей соединительной ткани базальной мембраной. На схеме В обратите внимание на терминальные полоски, которые соответствуют при световой микроскопии пояску замыкания и пояску слипания комплекса межклеточных соединений. А. Многослойный плоский эпителий Базальная мембрана Соедини- тельная ткань Б. Переходный эпителий Поверхностные клетки (фасеточные) Базальные клетки Базальная мембрана Соедини- тельная ткань В. Многорядный реснитчатый эпителий Рис. 4-12. Схема строения многослойного и многорядного эпителиев. Бокаловидные клетки секретируют слизь, которая образует непрерывную слизистую пленку, покрывающую слой ресничек 96
Глава 4. Эпителиальная ткань Рис. 4-14. Однослойный плоский эпителий, выстилающий полости тела (в данном случае — брюшную), называется мезотелием. Окраска: парарозанилин—толуидиновый синий. Среднее увеличение. Рис. 4-13. Срез вены, содержащей в просвете эритроциты. Все кровеносные сосуды выстланы однослойным плоским эпителием, называемым эндотелием (треугольники). Окраска: парарозанилин-толуидиновый синий. Среднее увеличение. которые будут выделяться этими клетками, обычно накапливаются в них внутри мелких покрытых мембра- ной пузырьков, известных как секреторные гранулы. Железистые эпителиальные клетки могут синтези- ровать, накапливать и секретировать белки (напри- мер, в поджелудочной железе), липиды (например, в надпочечнике, сальных железах) или комплексы углеводов и белков (например, в слюнных железах). Молочные железы секретируют все три вида веществ. Менее распространены железистые клетки, которые обладают низкой синтетической активностью (на- пример, в потовых железах) и секретируют преиму- щественно вещества, которые переносятся из крови в просвет железы. Типы железистых эпителиев Эпителии, образующие в организме железы, клас- сифицируются на основании различных критериев Одноклеточные железы состоят из изолированных железистых клеток, а многоклеточные железы обра- зованы скоплениями клеток. Примером одноклеточ- ной железы является бокаловидная клетка выстилки тонкой кишки (рис. 4-20) или дыхательных путей. Термин «железа», однако, обычно используется для обозначения крупных, сложно организованных скоплений железистых эпителиальных клеток, та- ких, как слюнные железы и поджелудочная железа. Железы развиваются в течение внутриутробной жизни из покровных эпителиев в результате про- лиферации эпителиальных клеток и их внедрения в подлежащую соединительную ткань, с последую- щей их дифференцировкой (рис. 4-21). Экзокринные (греч. ехо — наружный + krinein — отделять) железы сохраняют свою связь с поверхностным эпители- ем, из которого они развивались. Этот связующий участок преобразуется в выстланный эпителиаль- ными клетками трубчатый проток, через который на поверхность эпителия выделяются секреты желез. Эндокринные (греч. endon — внутри + krinein — от- делять) железы в ходе развития утрачивают связь с поверхностным эпителием. Поэтому в таких же- 97
Гистология Рис. 4-16. Однослойный столбчатый эпителий, образованный удлиненными клетками с эллиптическими ядрами. Эпи- телий располагается на рыхлой волокнистой соединительной ткани собственной пластинки. Между эпителиальными клетками и соединительной тканью находится базальная пластинка (не видна). Круглые ядра в эпителиальном пласте (стрелки) принадлежат лимфоцитам, которые мигрируют через эпителий. Окраска: гематоксилин—эозин. Среднее увеличение. (С любезного разрешения Р.А. Abrahamsohn.) 98
Глава 4. Эпителиальная ткань Рис. 4-17. Многослойный плоский неороговевающий (влажный) эпителий пищевода. Наиболее поверхностные клетки (стрелка) по форме сходны с очень тонкими плас- тинками. Окраска: парарозанилин—толуидиновый синий Среднее увеличение Рис. 4-18. Многослойный переходный эпителий мочеиспускательного канала Базальная мембрана между эпителием и рыхлой соединительной тканью окрашена в красный цвет и показана стрелками. Окраска: пикросириус—гематоксилин Среднее увеличение. 99
Гистология Реснички Рис. 4-19. Многорядныи столбчатый эпителий трахеи, образованный удлиненными и короткими клетками. Поскольку некоторые клетки не достигают поверхности эпителия, их ядра в слое эпителия располагаются на различной высоте. Клетки, секретирующие слизь и называемые бокаловидными клетками (стрелка), чередуются с реснитчатыми высти- лающими клетками (С любезного разрешения Р.А. Abrahamsohn.) Рис. 4-20. Срез толстой кишки, на котором видны бо- каловидные клетки (стрелки), секретирующие слизь во внеклеточное пространство. Вещество-предшественник слизи, которое накапливается в цитоплазме бокаловид- ных клеток, также дает темное окрашивание. Окраска: ШИК—парарозанилин—толуидиновый синий. Среднее увеличение. 100
Глава 4. Эпителиальная ткань лезах протоки отсутствуют, а их секреторные про- дукты захватываются и транспортируются к тканям- и органам-мишеням посредством кровотока, а не системы протоков. На основании расположения клеток можно выде- лить два типа эндокринных желез. В железах первого типа клетки могут образовывать анастомозирующие тяжи, которые перемежаются с расширенными кро- веносными капиллярами (такое строение имеют, например, надпочечник, околощитовидная желе- за, передняя доля гипофиза; рис. 4-21), в железах второго типа клетки формируют пузырьки, или фолликулы, заполненные неклеточным материалом (таково, например, строение щитовидной железы; см. рис. 4-21). Экзокринные железы содержат секреторный отдел, образованный клетками, ответственными за процесс секреции, и протоки, которые транспортируют секре- торные продукты (рис. 4-22). Простые железы имеют только один неразветвленный проток, тогда как сложные железы обладают многократно ветвящими- ся протоками. Дальнейшая (более подробная) клас- сификация желез зависит от клеточной организации секреторного отдела. В простых железах секреторные ной железы эндокринную железу фолликулярной железы Рис. 4-21. Формирование желез из покровных эпителиев. Эпителиальные клетки пролиферируют и внедряются в со- единительную ткань. Они могут сохранять контакт с поверхностным эпителием или утрачивают его. При сохранении такой связи формируются экзокринные железы; при ее потере развиваются эндокринные железы. Клетки эндокринных желез могут располагаться в виде тяжей или фолликулов В просвете фолликулов накапливается секрет; клетки тяжей запасают лишь небольшое количество секрета в своей цитоплазме (Перерисовано и воспроизведено с разрешения из Ham A.W. Histology. — 6th ed. — Lippincott, 1969.) 101
Гистология отделы могут иметь форму прямой, извитой или разветвленной трубочки или ацинуса — клеточной структуры сферической или шаровидной формы. Сложные железы могут быть трубчатыми, ацинар- ными или трубчато-ацинарными (см. рис. 4-22). Некоторые органы выполняют как эндокринные, так и экзокринные функции, причем обе функции могут осуществляться одной и той же клеткой — например, клетки печени, которые секретируют желчь в систе- му протоков, некоторые свои продукты выделяют в кровоток. В других органах одни клетки специа- лизированы на экзокринной секреции, а другие — на эндокринной — например, в поджелудочной же- лезе клетки ацинусов секретируют пищеварительные ферменты в просвет кишки, а клетки островков вы- деляют инсулин и глюкагон в кровоток. На основании того, как секреторные продукты выделяются из клетки, железы можно подразделить на мерокринные (греч. meros — часть -I- krinein — от- делять) или голокринные (греч. holos — целый + krinein — отделять) В мерокринных железах (напри- мер, в поджелудочной железе) секреторные гранулы выделяются из клетки экзоцитозом без потери дру- гого клеточного материала. В голокринных железах (например, в сальных железах) секреторный продукт выделяется вместе со всей клеткой целиком в ре- зультате процесса, который включает разрушение заполненных секретом клеток. Железы промежу- точного типа — апокринные (греч. аро — удалять + krinein — отделять); в них секреторные продукты выделяются совместно с частью апикальной цитоп- лазмы (рис. 4-23). Крупные железы обычно окружены соединитель- нотканной капсулой, от которой отходят септы, разделяющие железу на дольки. Эти дольки далее разделяются на более мелкие структуры — таким путем соединительная ткань разъединяет железистые компоненты, одновременно связывая их воедино. Кровеносные сосуды и нервы также проникают в железу, разделяя ее на части. Простая трубчатая Простая трубчатая с секреторным отделом в виде клубочка Простая разветвленная трубчатая Простая разветвленная ацинарная Сложная ; Сложная трубчато-ацинарная трубчатая Рис. 4-22. Основные типы экзокринных желез. Часть железы, образованная секреторными клетками, показана черным цветом; остальная часть представлена протоками Сложные железы имеют ветвящиеся протоки. Сложная ацинарная 102
Глава 4. Эпителиальная ткань мер, гормонов, нейромедиаторов), которые влияют на активность эпителиальных клеток, располагаются на базолатеральных мембранах. Во всасывающих эпители- альных клетках апикальная клеточная мембрана может содержать в качестве интегральных мембранных белков такие ферменты, как дисахаридазы и пептидазы. Они завершают переваривание молекул, которые в дальней- шем всасываются. Слияние мембран в области плотных соединений, вероятно, предотвращает перемещение ин- тегральных мембранных белков из области апикальной поверхности клетки в базолатеральную, и наоборот. Иннервация Большинство эпителиальных тканей получают множество чувствительных нервных окончаний от нервных сплетений, расположенных в собствен- ной пластинке. Исключительно высокая чувстви- тельность эпителия роговицы, покрывающего пере- днюю поверхность глаза, обусловлена очень большим числом чувствительных нервных волокон, которые ветвятся между эпителиальными клетками. Обновление эпителиальных клеток Эпителиальные ткани очень лабильны, причем их клетки непрерывно обновляются за счет митотической активности. Скорость обновления вариабельна; она может быть высокой в такой ткани, как кишечный эпителий, где клетки замещаются каждую неделю, или низкой, как в печени и поджелудочной железе. В многослойных и многорядных эпителиальных тканях митотическое деление происходит в герминативном (ростковом) слое, ближайшем к базальной пластинке, который содержит стволовые клетки. Рис. 4-23. Секреторный отдел молочной железы Апокрин- ная секреция характеризуется выделением секреторного продукта с частью цитоплазмы (стрелки). Окраска: пик- росириус—гематоксилин. Среднее увеличение. ОБЩАЯ БИОЛОГИЯ ЭПИТЕЛИАЛЬНЫХ ТКАНЕЙ Полярность Во многих типах эпителиальных клеток органеллы и мембранные белки распределены по-разному в базальном и апикальном полюсах клетки. Эта раз- личающаяся и стабильная организация клеточных компонентов называется полярностью. Ее наличие означает, что отдельные части клетки могут иметь различные функции. Поскольку в норме кровеносные сосуды в эпите- лий не проникают, все питательные вещества должны попадать в него из капилляров, расположенных в подлежащей собственной пластинке. Эти питательные вещества и предшественники секреторных продуктов эпителиальных клеток далее диффундируют через ба- зальную пластинку и транспортируются через базальную и латеральную поверхности (базолатеральную поверх- ность) клетки, обычно посредством энергозависимого процесса. Рецепторы химических посредников (напри- МЕДИЦИНСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ Метаплазия В некоторых патологических условиях один тип эпите- лиальной ткани может преобразовываться в другой. Такой обратимый процесс известен как метаплазия (греч. metaplasis — преобразование). Его можно про- иллюстрировать следующими примерами. У людей, выкуривающих большое количество сигарет, многорядный реснитчатый эпителий, выстилающий бронхи, может преобразоваться в многослойный плоский эпителий. У пациентов с хронической недостаточностью витамина А эпи- телиальные ткани тех типов, что в норме имеются в бронхах и в мочевом пузыре, постепенно заме- щаются многослойным плоским эпителием Метаплазия не ограничена лишь эпителиальными тканями; она происходит также и в соединитель- ной ткани. 103
Гистология Регуляция активности желез Железы обычно обладают чувствительностью как к нейральным, так и к эндокринным регуляторным воздействиям. Однако часто один вид регуляции их деятельности является преобладающим. Так, например, экзокринная секреция поджелудочной железы зависит главным образом от стимуляции гормонами секретином и холецистокинином (греч. chole — желчь + kystis — пузырь + kinein — двигать). Напротив, слюнные железы находятся преимущес- твенно под нейральным контролем. Нейральная и эндокринная регуляция деятельности желез обеспечивается благодаря действию химических веществ, известных как химические посредники. Клетки, транспортирующие ионы Все клетки обладают способностью транспортиро- вать некоторые ионы против градиентов концентра- ции и электрических потенциалов, используя АТФ в качестве источника энергии. Этот процесс — ак- тивный транспорт — назван так, чтобы отличать его от пассивной диффузии по градиенту концентрации. У млекопитающих концентрация иона натрия (Na") во внеклеточной жидкости составляет 140 ммоль/л, тогда как внутриклеточная концентрация равна 5—15 ммоль/л. К тому же внутренняя часть клетки электрически отрицательно заряжена по отношению к внеклеточной среде. В этих условиях Na+ будет стре- миться проникнуть в клетку посредством диффузии как по электрическому градиенту, так и по градиенту концентрации. Клетка использует Mg^-активируе- мую Иа+/К+-АТФазу (натриевый насос) для удаления Na+, тем самым поддерживая требуемую низкую внут- риклеточную концентрацию этого иона, расходуя при этом энергию, накопленную в виде АТФ. Некоторые эпителиальные клетки переносят ионы и жидкости через эпителий от апикального полюса к базальному или в обратном направлении; этот процесс известен кактрансцеллюлярный перенос, или транспорт (рис. 4-24). В кишке, проксимальных извитых каналь- цах почки, исчерченных протоках слюнной железы и желчном пузыре ток направлен от апикального полюса к базальному. Он осуществляется в противоположном направлении в других эпителиальных выстилках, та- ких, как сосудистое сплетение мозга и ресничное (ци- лиарное) тело. В обоих случаях в процессе транспорта важную роль играют плотные соединения. Поскольку они перекрывают апикальные части клеток благодаря своей относительной непроницаемости для ионов, воды и более крупных молекул, они препятствуют обратной диффузии материалов, которые уже были транспортированы через эпителий (см. рис. 4-24). В противоположном случае происходила бы напрасная трата большого количества энергии. Клетки проксимальных извитых почечных каналь- цев являются хорошим примером того, насколько ор- ганизованным может быть трансцелл юлярный транс- порт. Апикальная поверхность этих клеток свободно проницаема для ионов Na+, имеющихся в просвете канальца. Для поддержания электрического и осмо- тического баланса за ионами Na+ в клетку следуют эквимолярные количества хлорида и воды. Базаль- ные поверхности этих клеток содержат выраженные складки (рис. 4-25); на электронных микрофотогра- Плотное соединение Просвет Базальная пластинка Эндотелий капилляра Рис. 4-24. Транспорт ионов и жидкости может происходить в разных направлениях. А — направление транспорта — от просвета органа к кровеносному сосуду, как это происходит, например, в желчном пузыре или кишке Этот процесс известен как всасывание. Б — транспорт осуществляется в противоположном направлении, как, например, в сосудистом сплетении головного мозга, цилиарном (ресничном) теле или потовой железе. Такой процесс известен как секреция Обратите внимание на то, что для поддержания компартментализации (разделения эпителия на части — компартменты), а благодаря ей регуляции распределения ионов, требуется присутствие замыкающих соединений 104
Глава 4. Эпителиальная ткань фиях видны многочисленные длинные инвагинации (вдавления) базальной плазматической мембраны. Помимо этого, имеются обширные интердигитации базальных отростков между соседними клетками. Показано, что Mg^-активируемая №+/К+-АТФаза локализована в складках как базальной плазматичес- кой мембраны, так и латеральных мембран. Между инвагинациями располагаются митохондрии, которые снабжают энергией (АТФ) механизм активного выде- ления Na4 из базальной части клетки во внеклеточное пространство. Хлорид и вода вновь следуют за ионом натрия пассивно. Указанным путем натрий возвраща- ется в кровоток, а не теряется массивно с мочой. Клетки, осуществляющие транспорт посредством пиноцитоза Внеклеточные молекулы попадают в цитоплазму большинства клеток (интернализируются) с помо- щью пиноцитозных пузырьков, которые в изобилии формируются на плазмолемме. Этот процесс активно Переваривание белка лизосомой Плотное соеди- нение Участки интердиги- тации латераль- ных мембран Na Рис. 4-25. Ультраструктура клетки проксимального из- витого канальца почки (схема). Инвагинации базальной клеточной мембраны соответствуют участкам, запол- ненным удлиненными митохондриями. Такая типичная структурная организация имеется в клетках, транспорти- рующих ионы. Интердигитации соседних клеток образуют структуры в виде «замков» с аналогичными выростами данной клетки. Белок, поглощенный из просвета канальца посредством пиноцитоза, переваривается лизосомами Ионы натрия пассивно диффундируют через апикальные мембраны этих клеток. Далее указанные ионы активно удаляются из клеток с помощью №+/К+-АТФазы, рас- положенной в их базолатеральной мембране. Энергия для этого натриевого насоса вырабатывается расположенными рядом митохондриями. протекает в однослойном плоском эпителии, высти- лающем кровеносные и лимфатические капилляры (эндотелий) или полости тела (мезотелий). Клетки этого эпителия имеют небольшое количество орга- нелл при наличии огромного числа пиноцитозных пузырьков, которые обнаруживаются на поверхнос- тях клетки и в цитоплазме. Эти наблюдения в соче- тании с результатами, полученными путем инъекции электронно-плотных коллоидных частиц (например, ферритина, коллоидного золота, тория) с последу- ющим исследованием препаратов под электронным микроскопом, показывают, что пузырьки, транспор- тирующие введенный материал, перемещаются через клетки в обоих направлениях и способны доставлять свое содержимое к поверхности клетки. Серозные клетки Клетки ацинусов поджелудочной железы и околоуш- ной слюнной железы являются примерами серозных (белковых) клеток. Они имеют многогранную или пирамидную форму и содержат центрально распо- ложенные округлые ядра. Их полярность хорошо выражена. Для базальной части серозных клеток ха- рактерна интенсивная базофилия; она является резуль- татом локального скопления РНК, присутствующей в полирибосомах, которые связаны с поверхностью многочисленных параллельно лежащих комплексов цистерн грЭПС (рис. 4-26 и 4-27). Между ядром и сво- бодной поверхностью располагаются хорошо развитый комплекс Гольджи, немногочисленные происходящие из него незрелые секреторные гранулы и зрелые секре- торные гранулы, образующиеся после удаления воды из незрелых гранул (см. рис. 4-27). Зрелые секреторные гранулы накапливаются в апикальной цитоплазме и выявляются под световым микроскопом как светлоок- рашенные пузырьки. В клетках, которые вырабатывают пищеварительные ферменты (например, клетки ацину- сов поджелудочной железы), это — зимогенные гранулы (рис. 4-27 — 4-29). Гранулы находятся в апикальной части клетки до тех пор, пока вследствие стимуляции не начнется процесс секреции. Выделение секреторных продуктов происходит в результате слияния мембраны секреторных гранул с клеточной мембраной, после чего содержимое гранул выбрасывается из клетки посредс- твом процесса, известного какэкзоцитоз. Перемещение секреторных гранул и всех других цитоплазматических структур обеспечивается белками цитоскелета и мотор- ными белками цитозоля. Не все клетки, однако, на- капливают свои секреторные продукты в цитоплазме. Некоторые клетки транспортируют мелкие секретор- ные пузырьки к клеточной поверхности по мере того, как они формируются в комплексе Гольджи. Клетки, секретирующие слизь Наиболее подробно изученной клеткой, секретирую- щей слизь, является бокаловидная клетка кишечника 105
Гистология Рис. 4-26. Серозные секреторные клетки поджелудочной железы, образующие ацинусы. Один ацинус показан пун- ктирной линией. Базофильный базальный участок каждой клетки богат РНК. а апикальный — содержит светлоок- рашенные секреторные пузырьки. Окраска: парарозани- лин-толуидиновый синий. Среднее увеличение. (рис. 4-30). Эта клетка содержит многочисленные крупные светлоокрашенные гранулы, в которых на- ходятся резко гидрофильные гликопротеины, — му- цины. Секреторные гранулы почти целиком заполня- ют апикальный полюс клетки, ядро клетки лежит у ее базального полюса, в котором располагается хорошо развитая грЭПС (рис. 4-30 — 4-32). Комплекс Голь- джи, локализующийся сразу же над ядром, развит исключительно хорошо, что свидетельствует о его важной роли в этой клетке. Авторадиографические данные показывают, что белки синтезируются в базальной части клетки, где располагается большая часть цистерн грЭПС. Присоединение моносаха- ридов к осевому белку осуществляют ферменты гликозилтрансферазы, располагающиеся в ЭПС и аппарате Гольджи. Муцины после выделения из клетки становятся высокогидратированными и фор- мируют слизь — вязкий, эластический, защитный смазывающий гель. Другие клетки, синтезирующие гликопротеины муцинов, обнаруживаются в нескольких участках пищеварительной трубки, слюнных железах, дыха- тельном и половом трактах. Эти слизистые клетки сильно различаются как своими морфологически- ми характеристиками, так и химической природой секреторных продуктов. Многие из таких слизистых клеток организованы в трубочки (см. рис. 4-21), для них характерна бледная цитоплазма и темноокрашен- ное ядро, лежащее у основания клетки (рис. 4-33). В слюнных железах слизистые секреторные клетки часто находятся в пределах одного ацинуса рядом с серозными секреторными клетками. Диффузная нейроэндокринная система Исследованиями, первоначально выполненными на пищеварительной системе, обнаружено при- сутствие эндокринных клеток, разбросанных среди неэндокринных клеток. Цитоплазма эндокринных клеток содержит либо полипептидные гормоны либо биогенные амины — адреналин, норадреналин или 5-гидрокситриптамин (серотонин). В некоторых случаях в одной и той же клетке могут одновремен- но присутствовать несколько указанных веществ. Многие, хотя и не все, из этих клеток способны захватывать предшественники аминов и содержат активную декарбоксилазу. Данные характеристики объясняют акроним APU D (amineprecursor uptake and decarboxylation — поглощение и декарбоксилирование предшественников аминов), под которым известны эти клетки*. Поскольку некоторые из описываемых клеток окрашиваются солями серебра, они известны также как аргентаффинные и аргирофильные клетки. Так как часть из этих эндокринных клеток не концен- трируют предшественники аминов, термин «APUD» в значительной мере был заменен на «ДНЭС» (диф- фузная нейроэндокринная система). Клетки ДНЭС в большинстве развились из клеток нервного гребня, Используемый некоторыми отечественными автора- ми термин «АПУД», а также ряд производных терминов — «АПУД-система», «АПУД-клетки», «апудома» — являются результатом транслитерации англоязычного термина Их значение невозможно раскрыть без обращения к англоязыч- ному оригиналу. — Примеч. пер. МЕДИЦИНСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ Апудомы — это опухоли, которые развиваются из клеток ДНЭС, секретирующих полипептиды. Их клинические симптом зависят от природы конкретного вырабатываемого химического пос- редника. Диагноз обычно подтверждается при использовании иммуноцитохимических методов окрашивания срезов биоптатов опухоли. 106
Глава 4. Эпителиальная ткань Рис. 4-27. Схема строения серозной клетки (клетка ацинуса поджелудочной железы). Обратите внимание на выраженную полярность клетки, в которой обширная гранулярная эндоплазматическая сеть (грЭПС) занимает базальную часть, а комплекс Гольджи и зимогенные гранулы — апикальную. Справа приведена шкала, которая указывает на примерное время, необходимое для каждого этапа синтеза и секреции. относящегося к эмбриональной нервной системе, их можно идентифицировать и выявить иммуноцитохи- мическими методами или другими цитохимическими приемами на основании присутствия в них специфи- ческих аминов. Такие клетки широко распространены в организме — к ним относятся около 35 типов клеток вдыхательной, мочевой и пищеварительной системах, щитовидной железе и гипофизе. Некоторые клетки ДНЭС известны как паракринные клетки, так как они вырабатывают химические сигнальные молекулы, которые диффундируют в окружающую внекле гоч ну ю жидкость и регулируют функцию соседних кле гок, нс распространяясь по сосудистой системе. Многие из полипептидныхгормонов и аминов, вырабатываемых клетками ДНЭС, обладают также свойствами химичес- ких медиаторов в нервной системе. При исследовании 107
Гистология Рис. 4-28. Серозная клетка (клетка аци- нуса поджелудочной железы). Электрон- ная микрофотогра- фия, х13 ООО (С лю- безного разрешения K.R. Porter.) Рис. 4-29. Часть клетки ацинуса поджелудочной железы. Видна конденсирующая вакуоль (К), ко- торая, вероятно, получает небольшое количество секреторных продуктов (стрелка) из пузырька, образованного в комплексе Гольджи (Г). М — мито- хондрия; грЭПС — гранулярная эндоплазматическая сеть; С — зрелая, конденсированная секреторная (зимогенная) гранула. Электронная микрофотог- рафия, х40 ООО. 108
Глава 4. Эпителиальная ткань Эпителий Рис. 4-30. Кишечные ворсинки. Окрашивание с помощью ШИК-реакции— метода, выяв- ляющего некоторые полисахариды. Обратите внимание на положительную реакцию в бокало- видных клетках и щеточной каемке, состоящей из микроворсинок, которые связаны с богатым сахарами гл и кокал иксом. Докраска гематокси- лином. Среднее увеличение. Рис. 4-31. Схема строения секретирующей слизь ки- шечной бокаловидной клетки. Обратите внимание на типичную для этой клетки суженную базальную часть, где располагаются ядро, митохондрии и грану- лярная эндоплазматическая сеть (грЭПС). Белковая часть гликопротеинового комплекса синтезируется в эндоплазматической сети. Хорошо развитый комп- лекс Гольджи находится в надъядерной зоне. Справа приведена шкала, которая указывает на примерное время, необходимое для каждого этапа синтеза и сек- реции. (Перерисовано по Гордону и воспроизведено с разрешения из Ham A.W. Histology. — 6th ed. — Lippincott, 1969.) Экзоцитоз Капилляр О Базальная пластинка * ~60 минут ~30 минут >- Секунды Накопление гранул гликопротеинов Комплекс Гольджи: ----- терминальное гликозилирова- ние и сульфати- рование белков грЭПС: синтез белка и начальное гликозилирование Аминокислоты и моносахариды Моносахариды и сульфат 109
Гистология Рис. 4-32. Бокаловидная клетка тонкой кишки. Гранулярная эндоплазматическая сеть (грЭПС) находится преимущес- твенно в базальной части клетки, тогда как ее апикальная часть заполнена светлыми секреторными пузырьками, или гранулами (СГ), часть из которых выделяют свое содержимое. Комплекс Гольджи (Г) располагается над ядром. К бока- ловидной клетке прилежат типичные столбчатые всасывающие клетки с микроворсинчатой каймой (М) Электронная микрофотография, х7000. (Воспроизведено с разрешения из Junqueira L.C.U.. Salles L.M.M. Ultra-Estrutura e Funcao Celular. — Edgard Blucher, 1975.) Рис. 4-33. Слизистая железа пищевода. Клетки железы имеют светлую цитоплазму и базально расположенное темноокрашенное ядро. Отчетливо выявляется просвет железы (короткие стрелки). Длинная стрелка указывает на выводной проток. 110
Глава 4. Эпителиальная ткань Рис. 4-34. Клетка диффузной нейроэндокринной системы. Обратите внимание на скопление секреторных гранул (стрелки) в базальной части клетки. Комплекс Гольджи, расположенный в верхней части микрофотографии, содержит несколько секреторных гранул. Электронная м и крофотография. тем самым способствуя продвижению секреторных продуктов кнаружи Клетки, секретирующие стероиды Клетки, секретирующие стероиды, обнаруживаются в различных органах (например, яичках, яичниках, надпочечниках). Они являются эндокринными клет- ками, специализированными на синтезе и секреции стероидов, обладающих гормональной активностью (стероидных гормонов). Для этих клеток характерны следующие признаки (рис. 4-36). 1.Они являются многогранными или округлыми ацидофильными клетками с центрально располо- женным ядром и цитоплазмой, которая обычно (но не обязательно) богата липидными капельками. 2. В цитоплазме клеток, секретирующих стероиды, находится исключительно хорошо развитая аЭПС, образованная анастомозирующими трубочками. аЭПС содержит ферменты, необходимые для синтеза холестерола (холестерина) из ацетата и других субстратов и превращения прегненолона, вырабатываемого в митохондриях, в андрогены, эстрогены и прогестогены. 3. Их сферические или удлиненные митохондрии обычно содержат тубулярные кристы вместо ламеллярных (похожих на перегородки) крист, свойственных митохондриям других эпители- альных клеток. Помимо того, что они являются главным местом выработки энергии, необходимой для функции клетки, эти органеллы содержат под трансмиссионным электронным микроскопом клетки ДНЭС, секретирующие полипептиды, отли- чаются присутствием характерных плотных гранул диаметром 100—400 нм (рис. 4-34). Миоэпителиальные клетки Некоторые экзокринные железы (например, по- товые, слезные, слюнные, молочные) содержат миоэпителиальные клетки звездчатой или веретено- видной формы (рис. 4-35). Эти клетки охватывают ацинусы железы, подобно осьминогу, охватившему округлый валун. В протоках они лежат продольно. Миоэпителиальные клетки располагаются между базальной пластинкой и базальной поверхностью секреторных клеток или клеток протоков Они связаны друг с другом и с эпителиальными клет- ками щелевыми соединениями и десмосомами. В цитоплазме находятся многочисленные актиновые филаменты, а также миозин. Миоэпителиальные клетки содержат также промежуточные филаменты, которые принадлежат к семейству цитокератинов, что подтверждает эпителиальное происхождение этих клеток. Функция миоэпителиальных клеток состоит в том, что они, сокращаясь, сжимают сек- реторные отделы или выводные протоки желез, Рис. 4-35. Слюнная железа. Видны секреторные клетки (сверху слева) и миоэпителиальная клетка (М), которая охватывает секреторный ацинус. При сокращении мио- эпителиальной клетки она сдавливает ацинус и способс- твует выведению секреторных продуктов. Электронная м и крофотография. 111
Гистология Рис. 4-36. Схема ультраструктуры клетки, секретирующей стероиды. Обратите внимание на хорошо развитую агранулярную эндоплаз- матическую сеть (аЭПС), липид- ные капельки, комплекс Гольджи и лизосомы. Многочисленные митохондрии содержат преимущес- твенно тубулярные кристы. Они не только вырабатывают энергию, необходимую для деятельности клетки, но и участвуют в синтезе стероидных гормонов. Видна также гранулярная эндоплазматическая сеть (грЭПС). набор ферментов, нужный не только для того, чтобы отщеплять боковую цепь холестерола и вырабатывать прегненолон, но и для того, чтобы участвовать в последующих реакциях выработки стероидных гормонов. Процесс синтеза стероидов, таким образом, происходит в результате тесного сотрудничества аЭПС с митохондриями — пора- зительный пример кооперации органелл клетки. МЕДИЦИНСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ Опухоли, развивающиеся из эпителиальных клеток Из большинства типов эпителиальных клеток могут развиться как доброкачественные, так и злокачественные опухоли. Карцинома (греч. karkinos — рак + ота — опухоль) является * В шечественной медицине наибольшее распространение получил термин «рак». — Примеч. пер. злокачественной опухолью, которая развилась из эпителиальных клеток. Злокачественные опухоли, которые возникают из железистой эпителиальной ткани, обычно называют аде- нокарциномами (греч. adenos — железа + karkinos — рак); эти опухоли в целом являются наиболее часто встречающимися опухолями у взрослых. У детей до 10 лет большая часть опухолей развиваются (в порядке убывания час- тоты) из кроветворных, нервных, соединитель- ных и эпителиальных тканей. Эти соотношения постепенно изменяются, и после 45 лет более 90% всех развивающихся опухолей имеют эпи- телиальное происхождение. Карциномы (раки), состоящие из дифференци- рованных клеток, обладают специфическими для данных клеток морфологическими особен- ностями и характером поведения (например, выработкой цитокератинов, муцинов и гормо- нов). Недифференцированные карциномы часто трудно диагностировать на основании одного лишь морфологического анализа. Поскольку они обычно содержат цитокератины, выявление этих молекул иммуноцитохимическими методами часто помогает в постановке диагноза и лечении этих опухолей. 112
Глава 4. Эпителиальная ткань СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ Baida M.S., Matter К. Transmembrane proteins of tight junctions // Cell. Dev. Biol. —2000. — Vol. 11.— P. 281. Bertram J.S. Cellular communications via gap junctions // Sci. Med. -2000. - Vol. 7(2). - P. 18. Darnell J. et al. Molecular Cell Biology. —2nd ed. —Scientific American Books, 1990. Farquhar M.G., Palade G.E. Junctional complexes in various epithelia//J. Cell. Biol. - 1963. - Vol. 17. - P. 375. Fawcett D. The Cell. — 2nded. — Saunders, 1981. Hall PF. Cellular organization for steroidogenesis // Int. Rev. Cytol. - 1984. - Vol. 86. - P. 53. Hertzberg E.L. et al. Gap junctional communication //Annu. Rev. Physiol. - 1981. - Vol. 43. - P. 479. Hull B.E., Staehelin L.A. The terminal web: a reevaluation of its structure and function // J. Cell. Biol. — 1979. — Vol. 81.-P. 67. Jamieson J.D., Palade, G.E. Intracellular transport of secretory protein in the pancreatic exocrine cell. 4. Metabolic requirements // J. Cell. Biol. — 1968. — Vol. 39. — P 589. Kefalides N.A. Biology and Chemistry of Basement Membranes. — Academic Press, 1978. Krstic R.V Illustrated Encyclopedia of Human Histology. — Springer-Verlag, 1984. Mooseker M.S. Organization, chemistry, and assembly of the cytoskeletal apparatus of the intestinal brush border // Annu. Rev. Cell. Biol. - 1985. - Vol. 1. - P. 209. Simons K., Fuller S.D. Cell surface polarity in epithelia//Annu. Rev. Cell. Biol. - 1985. - Vol. 1. - P. 243. Staehelin L.A., Hull B.E. Junctions between living cells // Sci. Am. - 1978. - Vol. 238. - P. 41.
ГЛАВА 5 СОЕДИНИТЕЛЬНАЯ ТКАНЬ Различные типы соединительных тканей обуслов- ливают и поддерживают форму тела. Выполняя ме- ханическую функцию, они образуют межклеточное вещество, которое соединяет и связывает воедино клетки и органы и в конечном итоге играет роль поддерживающего элемента в организме. На структурном уровне соединительную ткань образуют компоненты трех типов: клетки, волокна и основное вещество. В отличие от других тканей (эпи- телий, мышечная и нервная ткани), которые состоят преимущественно из клеток, главной составляющей частью соединительной ткани является межклеточ- ное вещество (внеклеточный матрикс). В отдельных видах межклеточного вещества в разных сочетаниях содержатся белковые волокна (коллагеновые, ретику- лярные и эластические) и основное вещество. Волокна, преимущественно состоящие из кол- лагена, образуют сухожилия, связки, апоневрозы и капсулы органов, а также оболочки, которые окружа- ют центральную нервную систему (оболочки мозга). Они образуют также трабекулы и перегородки внутри некоторых органов, формируя самый устойчивый компонент поддерживающей (опорной) ткани ор- ганов, которая известна как строма. Основное вещество представляет собой высоко гидрофильный, вязкий комплекс анионных макро- молекул (гликозаминогликанов и протеогликанов) и мультиадгезивных гликопротеинов (ламинина, фибронектина и других), который придает прочность и жесткость матриксу, связываясь с рецепторными белками на поверхности клетки (которые включают интегрины) и с другими компонентами матрикса. Помимо своей очевидной структурной функции, мо- лекулы основного вещества соединительной ткани выполняют другие важные биологические функции, в частности они служат резервуаром гормонов, кон- тролирующих рост и дифференцировку клеток. Межклеточное вещество соединительной ткани представляет собой также среду, через которую про- исходит обмен питательных веществ и метаболичес- ких продуктов между клетками и кровотоком. Существенные различия типов соединительной ткани в организме отражают вариации состава и количества трех компонентов (клетки, волокна и основное вещество), которые ответственны за уди- вительное структурное и функциональное разнооб- разие соединительной ткани в норме и патологии. Источником развития соединительных тканей служит мезенхима — эмбриональная ткань1, образо- ванная удлиненными мезенхимными клетками. Эти клетки характеризуются овальным ядром с хорошо выраженными ядрышками и мелкодисперсным хроматином. Они образуют многочисленные тонкие цитоплазматические отростки и погружены в обиль- ное вязкое межклеточное вещество, содержащее отдельные волокна. Мезенхима развивается главным образом из среднего зародышевого листка эмбрио- на — мезодермы. Мезодермальные клетки мигрируют от мест своего появления, окружая развивающиеся органы и проникая в них. Помимо того, что мезен- хима служит источником развития всех типов клеток соединительной ткани, клетки мезенхимы превраща- ются и в другие структуры, такие, как клетки крови, эндотелиальные и мышечные клетки. КЛЕТКИ СОЕДИНИТЕЛЬНОЙ ТКАНИ В соединительной ткани содержатся разнообразные клетки с разными происхождением и функциями (рис. 5-1 и табл. 5-1). Фибробласты развиваются в самой соединительной ткани из недифференци- рованных мезенхимных клеток и проводят в ней всю свою жизнь; другие клетки, например тучные клетки, макрофаги и плазматические клетки, развива- ются из стволовых клеток крови (гемопоэтических стволовых клеток) в костном мозгу, циркулируют в крови и перемещаются в соединительную ткань, в которой они остаются и выполняют свои функции. Лейкоциты крови, которые являются пришлыми клетками соединительной ткани, также имеют кост- номозговое происхождение. Они обычно мигрируют в соединительную ткань, где они находятся в течение нескольких суток, после чего погибают. Фибробласты Фибробласты синтезируют коллаген, эластин, гликозаминогликаны, протеогликаны и муль- тиадгезивные гликопротеины. Фибробласты являются самыми распространенными клет- ками соединительной ткани (рис. 5-2), которые обеспе- чивают синтез компонентов межклеточного вещества. Эти клетки встречаются в двух стадиях — активности и покоя. Клетки с интенсивной синтетической актив- ностью морфологически отличаются от покоящихся фибробластов, которые рассеяны внутри ранее синте- зированного ими межклеточного вещества. Некоторые гистологи обозначают термином «фибробласт» только активную клетку, сохраняя термин «фиброцит» для наименования покоящейся клетки. Активный фибробласт имеет очень крупную цитоплазму с выростами неправильной формы. 114
Глава 5. Соединительная ткань Клетка Лангерганса О ; * ‘ Микроглиоцит Остеоцит Остеобласты Хондроциты Хондробласт (жировая клетка) Рис. 5-1. Развитие клеточных линий соединительной ткани из мультипотентной клетки мезенхимы эмбриона (упро- щенная схема). Пунктирные стрелки указывают на клеточные типы, занимающие промежуточное положение между теми, что представлены на схеме. Обратите внимание на то, что клетки изображены непропорционально их реальным размерам, например, жировая клетка (адипоцит), мегакариоцит и остеокласт в действительности значительно крупнее, чем другие показанные на рисунке клетки. 115
Гистология Таблица 5-1. Функции клеток соединительной ткани Тип клеток Характерные продукт или деятельность Наиболее значимая функция Фибробласт, хондробласт, остеобласт Выработка волокон и основного вещества Структурная Плазматическая клетка Выработка антител Иммунная (защитная) Лимфоцит (несколько типов) Образование иммунокомпетентных клеток Иммунная (защитная) Эозинофильный лейкоцит Участие в аллергических и вазоактивных реакциях, измене- ние активности тучных клеток и воспалительного процесса Иммунная (защитная) Нейтрофильный лейкоцит Фагоцитоз инородных веществ, бактерий Защитная Макрофаг Секреция цитокинов и других молекул, фагоцитоз инород- ных веществ, бактерий, процессинг антигенов и их пред- ставление другим клеткам Защитная Тучная клетка и базофиль- ный лейкоцит Выделение фармакологически активных молекул (напри- мер, гистамина) Защитная (участие в аллергических реакциях)_ Адипоцит (жировая клетка) Накопление нейтральных жиров Накопление энергии, выра- ботка тепла Рис. 5-2. Кожа крысы. В слое соединительной ткани (дерме) выявляются несколько фибробластов, которые имеют вид удлиненных клеток. Окраска: гематоксилин - эозин. Среднее увеличение. (С любезного разрешения ТМ.Т Zorn.) Его ядро овальное, крупное и бледно окрашен- ное, с мелкодисперсным хроматином и крупным ядрышком. В цитоплазме обильно представлена грЭПС, хорошо развит также комплекс Гольджи (рис. 5-3 - 5-5). Покоящийся фибробласт, или фиброцит (см. рис. 5-3), меньше, чем активный фибробласт, и обычно имеет веретеновидную форму. У него меньше отростков; ядро более мелкое, темное, удлиненное; цитоплазма — ацидофильная, содержит небольшое количество элементов грЭПС. Фибробласты синтезируют белки, такие, как кол- лаген и эластин, которые образуют коллагеновые, ретикулярные и эластические волокна, а также гли- козаминогликаны, протеогликаны и гликопротеины межклеточного вещества. Фибробласты вырабатыва- ют также факторы роста, которые влияют на рост и дифференцировку клеток. У взрослых фибробласты в соединительной ткани делятся редко, однако когда организму требуется дополнительное коли- чество фибробластов, наблюдается их митотическое деление. МЕДИЦИНСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ Способность соединительной ткани к регенера- ции отчетливо выявляется при разрушении тка- ней вследствие воспаления или травматического повреждения. В таких случаях пространства, образовавшиеся после повреждения тканей, чьи клетки не делятся (например, сердечной мышцы), заполняются соединительной тканью, которая образует рубец. Заживление хирурги- ческих разрезов зависит от репаративной спо- собности соединительной ткани. Главным типом клеток, участвующим в заживлении, является фибробласт. При адекватной стимуляции, например при заживлении ран, фиброцит возвращается в состояние фибробласта, и его синтетическая активность вновь усиливается. В таких условиях клетка снова приобретает форму и вид фиброб- ласта. При заживлении ран также наблюдается миофибробласт — клетка с признаками как фибробластов, так и гладких миоцитов. Эти клетки обладают большинством морфологичес- ких характеристик фибробластов, но содержат повышенное количество актиновых микрофила- ментов и миозина и по своим свойствам сходны с гладкими миоцитами. Благодаря их активности происходит закрытие раны после повреждения ткани вследствие процесса, который называется сокращение раны 116
Глава 5, Соединительная ткань Рис. 5-3. Покоящиеся фибробласты — это удли- ненные клетки с тонкими цитоплазматическими вы- ростами и конденсирован- ным хроматином. Окраска: парарозанилин—толуиди- новый синий. Среднее уве- личение. Рис. 5-4. Активный (слева) и покоя- щийся (справа) фибробласты. Пока- заны общие морфологические харак- теристики и ультраструктура каждой клетки. Фибробласты, которые активно участвуют в синтезе, имеют большее число митохондрий и липидных капель, более развитые комплекс Гольджи и гранулярную эндоплазматическую сеть (грЭПС), чем покоящиеся фиброблас- ты (фиброциты). Фиброциты | 117
Гистология Рис. 5-5. Участки нескольких уплощенных фиброблас- тов в плотной соединительной ткани. Многочисленные митохондрии, развитая гранулярная эндоплазматическая сеть (грЭПС) и пузырьки отличают эти клетки от менее активных фиброцитов. Между фибробластами распола- гаются множественные слои коллагеновых фибрилл (К). Электронная микрофотография, хЗО ООО. Макрофаги и система мононуклеарных фагоцитов Макрофаги были открыты и первоначально охарак- теризованы на основании своей фагоцитарной ак- тивности. Макрофаги обладают широким спектром морфологических особенностей, которые соответс- твуют состоянию их функциональной активности и той ткани, которую они населяют. Если животному ввести витальный краситель, такой, как трипановый синий или тушь, макрофаги захватывают его и накапливают в своей цитоплазме в виде гранул или внутри вакуолей, видимых под световым микроскопом (рис. 5-6). Под электронным микроскопом они характеризу- ются неровной поверхностью со складками, выпячи- ваниями и вдавлениями, что является морфологичес- ким проявлением их выраженной пиноцитозной и фагоцитарной активности. Обычно эти клетки имеют хорошо развитый комплекс Гольджи, многочисленные лизосомы и обширную грЭПС (рис. 5-7 и 5-8). Рис. 5-6. Участок лимфатического узла, в котором вид- ны клетки крови (*) и макрофаги. Обратите внимание на цитоплазму одного из макрофагов (стрелка). Большое увеличение. (С любезного разрешения ТМ.Т Zorn.) Макрофаги происходят из костномозговых кле- ток-предшественников, которые делятся, образуя моноциты, циркулирующие в крови. На следующем этапе эти клетки перемещаются через стенку венул и капилляров и проникают в соединительную ткань, где они созревают и преобразуются в макрофаги. Та- ким образом, моноцит и макрофаг являются одной и той же клеткой на разных стадиях созревания. Тканевые макрофаги способны пролиферировать локально, увеличивая число данных клеток. Макрофаги рассеяны по всему организму, име- ются в большинстве органов; их совокупность известна как система мононуклеарных фагоцитов (табл. 5-2). Это — долгоживущие клетки, которые могут существовать в тканях месяцами. В некоторых местах макрофаги получили особые названия, на- пример клетки Купфера в печени, клетки микроглии в центральной нервной системе, клетки Лангерган- са в коже и остеокласты в костной ткани. Процесс преобразования моноцитов в макрофаги приводит к усилению синтеза белка и увеличению размеров клетки. Выявляется также нарастание размеров комплекса Гольджи и числа лизосом, микротрубочек, микрофиламентов. Размеры макрофагов варьируют от 10 до 30 мкм, обычно они имеют овальное или почковидное ядро, расположенное эксцентрично МЕДИЦИНСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ При адекватной стимуляции макрофаги уве- личиваются в размерах и формируют скопле- ния, превращаясь в эпителиоидные клетки (названные так из-за их некоторого сходства с эпителиальными клетками), в некоторых случаях 118
Глава 5. Соединительная ткань Рис. 5-7. Макрофаг. Обратите внимание на вторичные лизосомы (Л), ядро (Я) и ядрышко (Яд). Стрелки указывают на фагоцитарные вакуоли. Электронная микрофотография. Рис. 5-8. Несколько макрофагов и два эозинофила в участке, прилежащем к опухоли. Данная иллюстрация демонстрирует участие макрофагов в тканевых реакциях на инвазию опухоли. Электронная микрофотография. 119
Гистология Таблица 5-2. Распределение и основные функции клеток системы мононуклеарных фагоцитов Тип клеток Расположение Основная функция Моноцит Кровь Предшественник макрофагов Макрофаг Соединительная ткань, лимфоид- ные органы, легкие, костный мозг Выработка цитокинов, хемотаксических факторов и неко- торых других молекул, участвующих в воспалении (защи- та), процессинге и представлении антигенов Клетка Купфера Печень Такая же, как у макрофагов Клетка микроглии Нервная ткань центральной нервной системы Такая же, как у макрофагов Клетка Лангерганса Кожа Процессинг и представление антигенов Дендритная клетка Лимфатические узлы Процессинг и представление антигенов Остеокласт Кость (образуется в результате слияния нескольких макрофагов) Переваривание кости Многоядерная гига- нтская клетка Соединительная ткань (образуется в результате слияния нескольких макрофагов) Сегрегация и переваривание инородных тел несколько макрофагов сливаются друг с другом, формируя многоядерные гигантские клетки. Оба типа клеток обычно обнаруживаются только в патологических условиях (рис. 5-9). Макрофаги являются защитными элементами. Они фагоцитируют клеточный детрит, изменен- ные элементы межклеточного вещества, опухо- левые клетки, бактерии и инертные элементы, попадающие в организм. Макрофаги являются также антиген представляющими клетками (АПК), которые участвуют в процессе частичного пере- варивания антигена и его представления другим клеткам (см. главу 14). Типичным примером АПК являются макрофаги, присутствующие в эпи- дермисе и называющиеся клетками Лангерганса (см. главу 18). Хотя макрофаги являются глав- ными АПК2, в некоторых условиях эту функцию способны выполнять другие типы клеток, такие, как фибробласты, эндотелиальные клетки, ас- троциты и эпителиальные клетки щитовидной железы. Макрофаги участвуют также в опосре- дованной клетками резистентности к инфекциям, вызываемым бактериями, вирусами, простей- шими, грибами и многоклеточными (например, паразитическими червями), в опосредованной клетками резистентности к опухолям, внепече- ночной выработке желчи, обмене железа и жиров, разрушении эритроцитов. Стимуляция макрофагов (при инъекции чуже- родного вещества или инфекции) вызывает из- менения их морфологических характеристик и метаболизма. Такие клетки — активированные макрофаги — приобретают характеристики, которые отсутствовали у них до активации. У активированных макрофагов, помимо усиле- ния фагоцитарной деятельности и способности к перевариванию межклеточного вещества, на- растает активность метаболизма и лизосомаль- ных ферментов. Важной ролью макрофагов является удаление клеточного детрита и поврежденного межклеточ- ного вещества, которые образуются в процессе физиологической инволюции. Например, при беременности матка увеличивается в размерах. Сразу же после родов она подвергается инволю- ции, в ходе которой некоторые ее ткани разру- шаются под действием макрофагов. Макрофаги являются также секреторными клетками, которые вырабатывают значительный спектр веществ, включая ферменты (например, коллагеназу) и цитокины, участвующие в защитных и репара- тивных функциях, они обладают повышенной способностью к уничтожению опухолевых клеток (рис. 5-8). Тучные клетки Тучные клетки представляют собой овальные или круглые клетки соединительной ткани диаметром 10—13 мкм, цитоплазма которых заполнена базо- фильными секреторными гранулами. Сравнительно мелкое сферическое ядро расположено центрально, часто маскируется цитоплазматическими гранулами (рис. 5-10). Диаметр секреторных гранул составляет 0,3— 2,0 мкм. Они имеют гетерогенную внутреннюю структуру, представленную отчетливыми элемен- тами в виде свитков (рис. 5-11); содержимое гранул включает преформированные (заранее синтезиро- ванные) медиаторы, такие, как гистамин и гепарин, резко кислый сульфатированый гликозаминогликан. Главная функция тучных клеток — накопление хими- ческих медиаторов воспалительной реакции. Гранулы тучных клеток являются метахроматичес- кими из-за высокого содержания кислых радикалов в гепариновом гликозаминогликане. Метахрома- зия — это свойство некоторых молекул, которые изменяют цвет отдельных основных анилиновых красителей (например, толуидинового синего). Структура, содержащая метахроматические молеку- лы, приобретает цвет (фиолетово-красный), отлича- 120
Глава 5. Соединительная ткань Рис. 5-9. А — кожа крысы (панорамный вид на срезе). Видны несколько многоядерных гигантских клеток, окружающих скопление инертных частиц, в данном случае кусочков ваты (*), которые в ходе эксперимента были введены в дерму животного. Б — при большом увеличении видна крупная многоядерная гигантская клетка (стрелка), захватившая кусочек ваты (*). Окраска: гематоксилин—эозин. (С любезного разрешения Т.М.Т. Zorn.) ющийся от цвета используемого красителя (синий). Другими компонентами гранул тучных клеток яв- ляются гистамин, который вызывает усиление сосу- дистой проницаемости, что играет важную роль при воспалении, нейтральные протеазы, эозинофильный хемотаксический фактор анафилаксии (ECF-A). Тучные клетки также выделяют лейкотриены (С4, D4, Е4) и медленно реагирующее вещество (субстан- цию) анафилаксии (SRS-A), однако эти вещества не накапливаются в клетке, а синтезируются из мемб- ранных фосфолипидов и немедленно выделяются в микроокружение клетки при соответствующей стимуляции, например в результате взаимодействия с фибробластами. Молекулы, которые вырабатывают 121
Гистология Рис. 5-10. Язык крысы. Несколько тучных клеток в соеди- нительной ткани окружают мышечные волокна и крове- носные сосуды. Окраска: парарозанилин—толуидиновый синий. Среднее увеличение. тучные клетки — обнаруживается в коже и брюш- ной полости; диаметр этих клеток 10—12 мкм, а их гранулы содержат антикоагулянт гепарин. Второй тип — тучные клетки слизистых оболочек — присутс- твует в соединительной ткани слизистой оболочки кишки и в легких. Эти клетки имеют более мелкие размеры (всего лишь 5—10 мкм), чем соединитель- нотканные тучные клетки, а их гранулы содержат хондроитинсульфат вместо гепарина4. Тучные клетки происходят из родоначальной клет- ки, находящейся в костном мозгу. Эти родоначаль- ные клетки циркулируют в крови, перемещаются че- рез стенку венул и капилляров и проникают в ткани, где они пролиферируют и дифференцируются. Хотя они во многих отношениях сходны с базофильными лейкоцитами, у них имеются раздельные стволовые клетки. На поверхности тучных клеток находятся специфические рецепторы иммуноглобулина Е (IgE), одного из типов иммуноглобулинов, выра- батываемых плазматическими клетками. Большая часть молекул IgE связана с поверхностью тучных клеток и базофилов крови; лишь очень небольшое их количество остается в плазме. тучные клетки, действуют локально механизмом паракринной секреции3. Хотя все тучные клетки обладают сходными морфологическими признаками, в соединительной ткани присутствуют по меньшей мере две популяции тучных клеток. Один тип — соединительнотканные т МЕДИЦИНСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ Выделение химических медиаторов, накоплен- ных в тучных клетках, вызывает аллергические реакции, известные как реакции гиперчувс- Рис. 5-11. Тучная клетка человека. Гранулы (Г) содержат гепарин и гистамин. Обратите внимание на структуры в виде свитков внутри гранул. М — митохондрия; К — коллагеновые фибриллы; Э— эластические фибриллы; Я — ядро. Электронная микрофотография, х14 700. Гранула тучной клетки при более высоком увеличении Электронная микро- фотография, х44 600 (С любезного разрешения М.С. Williams.) 122
Глава 5. Соединительнаяткань твительности немедленного типа, потому что они развиваются в течение нескольких минут после попадания антигена в организм человека, ранее сенсибилизированного к данному антигену. Существует много примеров реакций гиперчувс- твительности немедленного типа; очень тяжелым состоянием является анафилактический шок, который может закончиться смертью. Процесс анафилаксии включает последовательность сле- дующих событий: первое воздействие антигена (аллергена), такого, например, как пчелиный яд, вызывает выработку антител — IgE — плазма- тическими клетками. IgE активно связываются с поверхностью тучных клеток. Повторное воздейс- твие антигена приводит к его связыванию с IgE на тучных клетках. Это вызывает резкое выделе- ние содержимого гранул тучных клеток, при ко- тором высвобождаются гистамин, лейкотриены, ECF-A и гепарин (рис. 5-12). Дегрануляция тучных клеток также происходит в результате действия молекул комплемента, которые участвуют в им- мунных реакциях, описанных в главе 14. Гистамин вызывает сокращение гладкой мы- шечной ткани (главным образом в бронхиолах), расширяет сосуды и увеличивает их проница- емость (преимущественно посткапиллярных венул). После выделения гистамина он сразу же инактивируется. Лейкотриены обусловливают медленно развивающееся сокращение гладких мышц, a ECF-A привлекает эозинофилы крови. Гепарин является веществом, препятствующим свертыванию крови (антикоагулянтом), однако во время анафилактического шока свертывание кро- ви у людей остается нормальным. Тучные клетки широко распространены в организме человека, но они особенно многочисленны в дерме, а также в пищеварительном и дыхательном трактах. Плазматические клетки Плазматические клетки (плазмоциты) являются крупными овальными клетками с базофильной ци- топлазмой, что связано с обилием в них элементов грЭПС(рис. 5-13 — 5-15). Расположенные около ядра комплекс Гольджи и центриоли занимают участок, который на обычных гистологических препаратах имеет бледное окрашивание5. Ядро плазматической клетки сферическое, экс- центрично расположенное, содержит компактный Антигены Слияние Микрофиламенты АТФ Экзоцитоз Фосфорилиро- ванные белки Рецепторы IgE Рецептор IgE Аденилатциклаза АТФ цАМФ Неактивная ' протеин киназа Активная протеин киназа Рис. 5-12. Секреторный процесс в тучной клетке. Молекулы IgE связываются с поверхностными рецепторами (1). После повторного воздействия антигена (например, пчелиного яда) молекулы IgE, связанные с поверхностными рецепторами, перекрестно связываются антигеном. В результате активируется аденилатциклаза и происходит фосфорилирование некоторых белков (2). В то же время в клетку проникают ионы Са2" (3). Эти процессы приводят к внутриклеточному слиянию специфических гранул и экзоцитозу их содержимого (4). Помимо этого, фосфолипазы действуют на мемб- ранные фосфолипиды с образованием лейкотриенов. Процесс выделения содержимого гранул не повреждает клетку, которая сохраняет жизнеспособность и способность к синтезу новых гранул. ECF-A — эозинофильный хемотаксический фактор анафилаксии (5). 123
Гистология гетерохроматин в виде крупных глыбок, чередую- щихся со светлыми участками примерно одинаковых размеров. Такая конфигурация напоминает цифер- блат часов, на котором скопления гетерохроматина соответствуют цифрам6. В большинстве участков соединительной ткани плазматические клетки присутствуют в небольшом количестве. Средняя продолжительность их жизни коротка и составляет всего 10—20 суток. т МЕДИЦИНСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ Плазматические клетки развиваются из В-лимфо- цитов и обеспечивают синтез антител. Антитела представляют собой иммуноглобулины, которые продуцируются в ответ на проникновение антиге- нов. Каждое антитело специфично по отношению к одному антигену, который вызвал его выработку и специфически реагирует с молекулами, обла- дающими сходными эпитопами (см. главу 14). Результаты реакции антиген-антитело могут быть различными. Очень важное значение имеет спо- собность этой реакции нейтрализовать вредное действие антигенов. Антиген, который является токсином (например, столбнячный и дифтерий- ный токсины), может утрачивать повреждающую способность при соединении с соответствующим антителом. Жировые клетки Жировые клетки, или адипоциты (лат. adeps— жир + греч. kytos — клетка), являются клетками соедини- тельной ткани, которые специализированы на накоп- лении нейтральных жиров или на выработке тепла. Жировые клетки подробно обсуждаются в главе 6. Лейкоциты Нормальная соединительная ткань содержит лей- коциты (греч. leukos — белый + kytos — клетка), или белые кровяные тельца, которые являются ее блуж- дающими клетками. Лейкоциты мигрируют в соеди- нительную ткань из крови через стенки капилляров и посткапиллярных венул в результате процесса, извес- тного как диапедез7. Этот процесс резко усиливается при воспалении (рис. 5-16). Воспаление представляет собой сосудистую и клеточную защитные реакции против инородных молекул, в большинстве случаев патогенных бактерий или раздражающих химических веществ. Классические признаки воспаления были впервые описаны Цельсом (в 1 веке н.э.) как покрас- нение и отек с жаром (повышением температуры) и болью {rubor et tumor сыт calore etdolore). Значительно позднее в качестве пятого кардинального признака было добавлено нарушение функции (functio laesa). Воспаление начинается с того, что локально выде- ляются химические медиаторы воспаления — вещества различного происхождения (главным образом про- Рис. 5-13. Плазматические клетки в участке хронического воспаления в ворсинке кишки. Плазматические клетки можно идентифицировать по их размерам и развитой базофильной (благодаря хорошо выраженной гранулярной эндоплаз- матической сети, или грЭПС) цитоплазме. Плазматические клетки вырабатывают антитела, играющие важную роль в иммунных реакциях. В крупном комплексе Гольджи (стрелки) происходит терминальное гликозилирование антител (гликопротеинов). Окраска: парарозанилин—толуидиновый синий. Среднее увеличение. 124
Глава 5. Соединительная ткань Рис. 5-14. Ультраструктура плазматической клетки. Клетка характеризуется хорошо развитой гранулярной эндоплазматической сетью (грЭПС) с расширенными цистерна- ми. содержащими иммуноглобулины (анти- тела). В плазматических клетках секретируе- мые белки не упаковываются в секреторные гранулы. Яд — ядрышко. (Перерисовано и воспроизведено с разрешения из Ham A.W. Histology. — 6th ed. — Lippincott, 1969.) Рис. 5-15. Плазматическая клетка. Хорошо развита гранулярная эндоплазматическая сеть (грЭПС), многие цистерны которой расширены. Срезы элементов комплекса Гольджи (Г) видны в четырех местах около ядра (Я). М — митохондрии. Электронная микрофотография. (С любезного разрешения Р.А. Abrahamsohn.) 125
Гистология Рис. 5-16. Собственная пластинка кишки при воспалении, вызванном паразитической нематодой Скопления эозино- филов и плазматических клеток функционируют преимущественно в соединительной ткани, оказывая модулирующее воздействие на воспалительный процесс. Окраска: метод Гимзы. Малое увеличение. дукты клеток и белки плазмы крови), индуцирующие некоторые из процессов, характерных для воспаления. К ним относятся, в частности, усиление кровотока и сосудистой проницаемости, хемотаксис и фагоцитоз После миграции в соединительную ткань лей- коциты не возвращаются в кровь, за исключением лимфоцитов, которые постоянно циркулируют в различных компартментах организма (крови, лим- фе, соединительной ткани, лимфоидных органах). Подробный анализ структуры и функций лейкоцитов представлен в главе 12. МЕДИЦИНСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ Повышенная сосудистая проницаемость вызвана действием вазоактивных веществ, например гис- тамина, который выделяется тучными клетками и базофильными лейкоцитами. Усиление кровотока и сосудистой проницаемости обусловливает мес- тную припухлость (отек), покраснение и повыше- ние температуры. Боль вызвана преимуществен- но действием химических медиаторов на нервные окончания. Хемотаксис (греч. chemeia — алхимия + taxis — правильное расположение) — феномен привлечения определенных типов клеток некото- рыми молекулами — обусловливает миграцию большого числа этих клеток в очаги воспаления. Как следствие хемотаксиса, лейкоциты проходят сквозь стенки венул и капилляров механизмом диапедеза, внедряясь в воспаленные участки. ВОЛОКНА Волокна соединительной ткани образованы белками, которые полимеризуются с фор- мированием удлиненных структур. Тремя главными типами волокон соединитель- ной ткани являются коллагеновые, ретикулярные и эластические. Белок коллаген образует коллагеновые и ретикулярные волокна, а белок эластин — элас- тические волокна. Эти волокна в различных типах соединительной ткани распределены неравномерно. В действительности имеются две системы волокон: коллагеновая система, состоящая из коллагеновых и ретикулярных волокон, и эластическая система, представленная эластическими, элауниновыми и окситалановыми волокнами. Во многих случаях специфические свойства конкретной ткани опреде- ляются преобладающим типом волокон. Коллагеновые волокна J^g Коллагены представляют собой семейс- тво белков, которые в процессе эволюции многоклеточных организмов претерпели селекцию, направленную на выполнение ими нескольких (преимущественно структурных) функций. В ходе эволюции эти белки модифици- ровались под влиянием внешней среды и в связи с функциональными потребностями организма жи- вотных, приобретя различную степень жесткости, эластичности и прочности. Общее название белков данного семейства — коллаген, причем главные представители его различных типов присутствуют 126
Глава 5. Соединительная ткань в коже, кости, хряще, гладкой мышечной ткани и базальной пластинке. Коллаген — самый распространенный белок че- ловеческого тела, на него приходится 30% его сухого веса. Коллагены позвоночных образуют семейство, состоящее более чем из 25 членов, которые выраба- тываются несколькими типами клеток и различаются своим молекулярным составом, морфологическими характеристиками, распределением, функциями и характером изменений в патологических состояниях. В табл. 5-3 представлены наиболее характерные типы коллагена. На основании структуры и функций их можно разделить на следующие группы: • коллагены, образующие длинные фибриллы; • коллагены, связанные с фибриллами; • коллагены, образующие сети; • коллагены, образующие якорные фибриллы. Коллагены, образующие длинные фибриллы Молекулы коллагенов, образующих длинные фиб- риллы, объединяются с формированием фибрилл, которые отчетливо выявляются под электронным микроскопом (рис. 5-17). К ним относятся коллаге- ны I, II, III, Vи XI типов. Коллаген I типа содержится в наибольшем количестве и широко распространен Таблица 5-3. Типы коллагена Тип Молекулярный Структура Световая микроскопия Примеры тканей Главная функция состав Коллаген, образующий фибриллы I [а1 (1)]2 [а2 (I)] Молекула длиной 300 нм, фибриллы, исчерченные с периодичностью 67 нм Толстые, дающие выра- женное двойное лучеп- реломление при окраске пикросириусом неаргиро- фильные волокна Кожа, сухожилие, кость, дентин Сопротивляемость растяжению II [а1 (ll)]3 Молекула длиной 300 нм, фибриллы, исчерченные с периодичностью 67 нм Рыхлые агрегаты фиб- рилл, дают двойное лучеп- реломление Хрящ, стекловид- ное тело Сопротивляемость сдавлению III [а1 (III)], Фибриллы, исчерченные с периодичностью 67 нм Тонкие, дающие слабое двойное лучепрелом- ление, аргирофильные волокна Кожа, мышца, кровеносные сосуды, часто совместно с I типом Сохранение струк- туры в растяжимых органах V [а1 (V)]3 Молекула длиной 390 нм, глобулярный N-терми- нальный домен Часто образует волокно совместно с I типом Фетальные ткани, кожа, кость, пла- цента, большинс- тво интерстици- альных тканей Участвует в функции коллагена I типа XI [а1 (XI)] [а2 (XI)] [аЗ (XI)] Молекула длиной 300 нм Мелкие волокна Хрящ Участвует в функции коллагена II типа Коллаген, связанный с фибриллами IX [а1 (IX)] [а2 (IX)] [аЗ (IX)] Молекула длиной 200 нм Не виден, выявляется с помощью иммуноцито- химии Хрящ, стекловид- ное тело Связан с гликозами- ногликанами, ассо- циирован с коллаге- ном II типа XII [а1 (ХП)]3 Крупный N-терминальный домен, взаимодействует с коллагеном I типа Не виден, выявляется с помощью иммуноцито- химии Сухожилие и кожа эмбриона Взаимодействует с коллагеном I типа XIV [а1 (XIV)]3 Крупный N-терминальный домен,крестообразная молекула Не виден, выявляется с помощью иммуноцито- химии Кожа и сухожилие плода Коллаген, образующий якорные фибриллы VII [а1 (Vll)]3 Молекула длиной 450 нм, глобулярный домен с каждого края Не виден, выявляется с помощью иммуноцито- химии Эпителии Прикрепляет базаль- ную пластинку эпи- дермиса к подлежа- щей строме Коллаген, образующий сети IV [а1 (IV)]2[a1 (IV)] Двухмерная сеть с попе- речными сшивками Не виден, выявляется с помощью иммуноцито- химии Все базальные мембраны Поддерживает тон- кие структуры, учас- твует в фильтрации 127
Гистология Рис. 5-17. Коллагеновые фибриллы человека (по- перечный и продольный срезы). Каждая фибрилла состоит из правильно чере- дующихся темных и светлых полос, которые далее разде- лены поперечными линия- ми. Фибриллы полностью окружены основным вещест- вом. Электронная микрофо- тография, х100 ООО. в организме. Он встречается в тканях в виде структур, которые классически описываются как коллагеновые волокна и образуют кости, дентин, сухожилия, кап- сулы органов и дерму. Коллагены, связанные с фибриллами Коллагены, связанные с фибриллами, представля- ют собой короткие структуры, которые связывают коллагеновые фибриллы друг с другом и с другими компонентами межклеточного вещества. К ним от- носятся коллагены IX, XII и XIVтипов Коллагены, образующие сети Молекулы коллагена, образующего сети, или кол- лагена IVтипа, собираются в сеть, которая является структурным компонентом базальной пластинки. Коллагены, образующие якорные фибриллы Якорный коллаген, или коллаген VII типа, содер- жится в якорных фибриллах, которые прикрепляют коллагеновые волокна к базальной пластинке. Синтез коллагена, как полагали первоначально, является результатом деятельности ограниченного числа клеток — фибробластов, хондробластов, ос- теобластов и одонтобластов, однако в настоящее время показано, что он широко распространен, причем этот белок вырабатывают клетки многих типов. Главными аминокислотами, входящими в состав коллагена, являются глицин (33,5%), пролин (12%) и гидроксипролин (10%). Коллаген содержит две аминокислоты, которые характерны для этого белка, — гидроксипролин и гидроксилизин. Белковой единицей, которая полимеризуется с формированием коллагеновых фибрилл, является уд- линенная молекула — тропоколлаген, которая дости- гает 280 нм в длину и 1,5 нм в ширину. Тропоколлаген состоит из трех субъединиц — полипептидных цепей, скрученных в тройную спираль (рис. 5-18). Различия в типах коллагена обусловлены неодинаковой хими- ческой структурой этих полипептидных цепей. В коллагенах I, II и III типов тропоколлагеновые мо- лекулы объединяются в микрофибриллярные субъеди- ницы, которые упакованы вместе, образуя фибриллы В агрегации и упаковке этих элементов важную роль играют водородные связи и гидрофобные взаимодейс- твия. На следующем этапе данная структура усиливает- ся благодаря формированию ковалентных поперечных связей, причем этот процесс катализируется благодаря активности фермента лизил оксидазы. 8,6 нм Рис. 5-18. В наиболее распространенной форме коллагена, коллагене I типа, каждая молекула (тропоколлагена) состоит из двух al- и одной а2-пептидной цепи, с молекулярной массой примерно 100 кДальтон каждая, которые скручены в правую спираль и удерживаются вместе водородными связями и гидрофобными взаимодействиями Каждый полный виток спирали занимает 8,6 нм. Длина каждой молекулы тропоколлагена составляет 280 нм, а ее ширина — 1,5 нм. 128
Глава 5. Соединительная ткань Коллагеновые фибриллы представляют собой тонкие, удлиненные структуры вариабельного диа- метра (колеблется от 20 до 90 нм), которые могут достигать нескольких микрометров в длину; они обладают поперечной исчерченностью с характерной периодичностью в 64—67 нм (рис. 5-18). Поперечная исчерченность коллагеновых фибрилл определяется перекрывающимся расположением молекул тропо- коллагена (рис. 5-19). Темные полосы задерживают больше содержащего свинец красителя, который используется в электронно-микроскопических ис- следованиях, поскольку их более многочисленные свободные химические группы интенсивнее реаги- руют с раствором свинца, чем в светлых полосах. В коллагенах 1иП1 типов эти фибриллы связываются друг с другом, образуя волокна. В коллагене 1 типа волокна могут объединяться, формируя пучки (рис. 5-19). Коллаген II типа (присутствующий в хряще) встречается в виде фибрилл, но не форми- рует волокон или их пучков (рис. 5-20). Коллаген IV типа, имеющийся во всех базальных мембранах, не образует ни фибрилл, ни волокон. Вследствие своей молекулярной конфигурации коллаген IVтипа организован в виде густой сетки. Биосинтез коллагена I типа Так как коллаген I типа широко распространен в организме, его синтез был детально исследован. Синтез коллагена включает несколько стадий, ко- торые суммарно представлены на рис. 5-21. 1. Полипептидные сс-цепи собираются на полири- босомах, связанных с мембранами грЭПС, они попадают в ее цистерны, образуя препроколлаген. Сигнальный пептид отделяется, в результате чего получается проколлаген. 2. Гидроксилирование пролина и лизина происходит после того, как эти аминокислоты включаются в полипептидные цепи. Гидроксилирование на- чинается после достижения пептидной цепью некоторой минимальной длины, пока она все еще связана с рибосомами. В этом процессе участвуют два фермента — пептидилпролингидроксилаза и пептидиллизингидроксилаза. 3. Гликозилирование гидроксилизина происходит после его гидроксилирования. Различные типы коллагена содержат разное количество углеводов в форме галактозы или гликозилгалактозы. свя- занных с гидроксилизином. 4. Каждая сс-цепь синтезируется с образованием до- полнительных пептидов на амино-терминальном и карбокси-терминальном краях Молекулы. Это — так называемые регистрационные пептиды. Они, вероятно, обеспечивают сборку соответствующих сс-цепей (ар а2) в правильном положении с обра- зованием тройной спирали. Помимо этого, бла- годаря дополнительным пептидам образующаяся молекула проколлагена становится растворимой и предотвращается ее преждевременная внутрик- леточная сборка с формированием коллагеновых фибрилл. Проколлаген как таковой транспорти- руется из клетки во внеклеточное пространство. Лакунарный Перекрывающийся участок участок Коллаген 64 нм Рис. 5-19. Агрегат молекул коллагена, коллагеновая фибрилла, волокно и пучок волокон (схематический рисунок) Стержневидные тропоколлагеновые субъединицы длиной 280 нм располагаются ступенчато с частичным перекрытием (1). Такое расположение определяет образование чередующихся лакунарных и перекрывающихся участков (2), что обус- ловливает поперечную исчерченность, характерную для коллагеновых фибрилл и периодичное чередование темных и светлых полос с шагом 64 нм. видное при изучении фибриллы под электронным микроскопом (3) В результате агрега- ции фибрилл формируются волокна (4), которые объединяются, образуя пучки (5), обычно называемые коллагеновыми волокнами. Коллаген III типа, как правило, не образует пучков. 129
Гистология Рис. 5-20. Матрикс гиалинового хряща. Тонкие фибриллы, образованные коллагеном II типа, погружены в обильное основное вещество. Поперечная исчерченность фиб- рилл едва заметна вследствие взаимодействия коллагена с хондроитинсульфатом. В центре — часть хондроцита. Сравните вид этих фибрилл с аналогичными структурами в волокнистом хряще (см. рис. 7-8). Электронная микро- фотография. 5. За пределами клетки специфические протеазы проколлагенпептидазы удаляют регистрационные пептиды. Видоизмененный белок, известный как тропоколлаген, способен собираться в полимерные коллагеновые фибриллы. Остатки гидроксипро- лина способствуют стабильности тройной спирали тропоколлагена, образуя водородные связи между его полипептидными цепями. 6. Коллагеновые фибриллы спонтанно агрегируют, формируя волокна. Протеогликаны и структурные гликопротеины играют важную роль в агрегации тропоколлагена с образованием фибрилл и воло- кон из фибрилл. 7. Фибриллярная структура усиливается за счет обра- зования ковалентных поперечных сшивок между молекулами тропоколлагена. Этот процесс катали- зирует фермент лизилоксидаза, который действует также и во внеклеточном пространстве. Другие фибриллярные коллагены, вероятно, фор- мируются по той же схеме, что описана для коллагена I типа, лишь с очень небольшими отличиями. Синтез коллагена включает каскад уникальных посттрансляционных биохимических модификаций оригинального полипептида проколлагена. Все эти модификации являются критическими для струк- туры и функции нормального зрелого коллагена Поскольку биосинтез коллагена требует столь мно- гих этапов, существует много моментов, на которых этот процесс может прерваться или видоизмениться вследствие дефекта ферментов или в результате заболевания. т МЕДИЦИНСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ Синтез коллагена зависит от экспрессии ряда генов и нескольких посттрансляционных собы- тий. Поэтому неудивительно, что большое число патологических состояний непосредственно обусловлено недостаточным или аномальным синтезом коллагена. Некоторые мутации генов молекул а1 (I) или а2 (I) вызывают несовершенный остеогенез (лат. osteogenesis imperfecta). Многие случаи несовер- шенного остеогенеза обусловлены делециями всего или части гена а1 (I). Однако изменение лишь одной аминокислоты оказывается доста- точным для того, чтобы вызвать некоторые формы этого заболевания, в особенности при мутациях, затрагивающих глицин. Глицин должен находить- ся в каждой третьей позиции для формирования тройной спирали коллагена. Помимо указанных нарушений, несколько бо- лезней развивается вследствие избыточного накопления коллагена. Прогрессирующий системный склероз характеризуется тем, что почти во всех органах происходит избыточное отложение коллагена (фиброз). Изменения пре- имущественно затрагивают кожу, пищеваритель- ный тракт, мышцы и почки, вызывая затвердение и нарушение функции указанных органов. Келоид (келоидный рубец) представляет собой местное утолщение ткани, вызванное ненормально высо- ким количеством коллагена, который образуется в рубцах кожи. Лечение келоидов, которые на- иболее часто встречаются у людей африканского происхождения, представляет собой непростую клиническую задачу; это связано не только с тем, 130
Глава 5. Соединительная ткань ^Образование иРНК для каждого типа а- Синтез а-цепеи препроколлагена с регистрационными пептидами. Отщепление сигнального пептида Гидроксилирование специфических пролиль- ных и лизильных остатков в эндоплазмати- ческой сети. Зависит от витамина С Прикрепление растворимых галактозила и глюкозила к специфическим гидроксили- зильным остаткам к____________________________________ Сборка молекул проколлагена (тройная спираль) пропептиды Транспорт растворимого проколлагена в комплекс Гольджи Упаковка растворимого проколлагена в секреторные пузырьки Секреторные пузырьки с помощью микро- трубочек и микрофиламентов транспорти- руют молекулы растворимого проколлаге- на к клеточной поверхности Выделение молекул проколлагена в межклеточное пространство. Проколла- генпептидазы отщепляют большую часть неспиральных регистрационных пептидов, превращая проколлаген в нерастворимый тропоколлаген, который агрегирует с образованием коллагеновых фибрилл Фибриллярная структура укрепляется благодаря образованию ковалентных поперечных мостиков между молекула- ми тропоколлагена, которое катализи- руется ферментом лизилоксидазой Рис. 5-21. Синтез коллагена. Сборка тройной спирали, гидроксилировние и гликозилирование молекулы проколлагена протекают одновременно. Эти процессы начинаются как только три цепи перемещаются через мембрану гранулярной эндоплазматической сети (грЭПС). Агрегация зрелых молекул коллагена (тропоколлагена) в фибриллы происходит во внеклеточном пространстве. Поскольку синтез коллагена зависит от экспрессии ряда генов и от нескольких пост- трансляционных процессов, описано много коллагеновых болезней. что келоиды могут обезображивать человека, но и с тем, что их удаление почти всегда сопровож- дается рецидивом заболевания. Недостаточность витамина С (аскорбиновой кис- лоты) вызывает цингу — заболевание, которое ха- рактеризуется дегенеративными изменениями со- единительной ткани. В отсутствие этого витамина фибробласты синтезируют дефектный коллаген, и такие поврежденные волокна не замещаются. Этот процесс приводит к общим дегенеративным из- менениям соединительной ткани, которые более резко проявляются в тех участках, где обновление коллагена происходите высокой скоростью. Пери- одонтальная связка, которая удерживает зуб в зуб- 131
Гистология ных альвеолах, обладает сравнительно высокой активностью обновления коллагена, поэтому она существенно поражается при цинге, что приводит к потере зубов. Аскорбиновая кислота является кофактором пролингидроксилазы, которая не- обходима для нормального синтеза коллагена. В табл. 5-4 приведены некоторые примеры много- численных расстройств, вызванных нарушениями биосинтеза коллагена. Таблица 5-4. Примеры клинических расстройств, воз- никающих вследствие дефектов синтеза коллагена Расстройство Дефект Симптомы Синдром Элерса-Данло IV типа Нарушение транскрипции или трансляции кол- лагена III типа Разрыв аорты и/или кишки Синдром Элерса-Данло VI типа Нарушение гид- роксилирования лизина Повышенная эластичность кожи, разрыв глазного яблока Синдром Элерса-Данло VII типа Снижение актив- ности проколла- генпептидазы Повышенная подвижность суставов, час- тые вывихи Цинга Недостаточность витамина С (кофактора про- лингидроксилазы) Изъязвление десен, кровоте- чения Несовершенный остеогенез (osteogenesis imperfecta) Изменения одно- го нуклеотида в генах, кодирую- щих коллаген I типа Спонтанные переломы, сер- дечная недоста- точность Обновление коллагена в целом является очень мед- ленным процессом. В некоторых органах, таких, как сухожилия и связки, коллаген очень стабилен, тогда как в других, например в периодонтальной связке, обновление коллагена происходит очень быстро. Для того чтобы произошло обновление коллагена, он дол- жен сначала подвергнуться разрушению. Последнее начинают специфические ферменты коллагеназы, расщепляющие молекулу коллагена на две части, ко- торые далее могут быть разрушены неспецифическими протеазами (ферментами, расщепляющими белки). Волокна, образованные коллагеном I типа Коллагеновые волокна, образованные коллагеном I типа, являются наиболее многочисленными во- локнами соединительной ткани. Хотя свежие кол- лагеновые волокна имеют вид бесцветных тяжей, если они присутствуют в большом количестве, то ткани, в которых они обнаруживаются (например, сухожилия, апоневрозы), имеют белый цвет. Ориентация удлиненных молекул тропоколлагена в коллагеновых волокнах придает им двойное лучеп- реломление. Если волокна, содержащие коллаген, окрашены кислым красителем, состоящим из уд- линенных молекул (например, Сириусом красным), который связывается с коллагеном таким образом, что его молекулы лежат параллельно молекулам коллагена, то нормальное двойное лучепреломление коллагена существенно усиливается, давая яркое желтое окрашивание (рис. 5-22). Поскольку такое усиление двойного лучепреломления возникает толь- ко в ориентированных молекулярных структурах, таких, как коллаген, его обнаружение используется как специфический метод выявления коллагена. Во многих участках тела коллагеновые волокна располагаются параллельно друг другу, образуя коллагеновые пучки (рис. 5-23). Вследствие длины и извитого хода коллагеновых пучков их морфо- логические характеристики лучше изучать на пле- ночных препаратах, нежели на гистологических срезах (рис. 5-24). Для этой цели часто используют брыжейку, которая оказывается достаточно тонкой для изучения в проходящем свете, если ее расправить на предметном стекле. Ее можно окрасить и непос- редственно исследовать под микроскопом. Бры- жейка состоит из центральной части, образованной соединительной тканью, которая с обеих сторон покрыта однослойным плоским эпителием — ме- зотелием. Коллагеновые волокна на пленочных препаратах имеют вид удлиненных и извилистых цилиндрических структур неопределенной длины, диаметр которых варьирует от 1 до 20 мкм. Под световым микроскопом коллагеновые волок- на являются ацидофильными; они окрашиваются в розовый цвет эозином, в синий цвет — при исполь- зовании трихромного метода Маллори, в зеленый цвет — при трихром ной окраске по Масону и в крас- ный цвет — при окраске Сириусом красным. Ретикулярные волокна Ретикулярные волокна, которые состоят преимущест- венно из коллагена 111 типа, очень тонкие — их диаметр составляет 0,5 — 2 мкм, причем в некоторых органах они образуют густые сети. Они не видны на препа- ратах, окрашенных гематоксилином и эозином, но легко окрашиваются в черный цвет при импрегнации солями серебра. Вследствие сродства к солям серебра эти волокна известны также как аргирофильные (греч. argyros — серебро + philein — любовь; рис. 5-25). Ретикулярные волокна также дают положитель- ную ШИК-реакцию. Как ШИК-реакцию, так и аргирофилию этих волокон связывают с высоким содержанием в них углеводных цепей. Ретикулярные волокна содержат 6—12% гексоз, что отличает их от коллагеновых волокон, в которых имеется лишь 1 % гексоз. Как показывают иммуноцитохимические и гистохимические данные, ретикулярные волокна (в отличие от коллагеновых волокон, состоящих из коллагена I типа) образованы преимущественно коллагеном III типа в ассоциации с другими типами 132
Глава 5. Соединительная ткань Рис. 5-22. Мышечная артерия, окрашенная пикросириусом и исследованная с использованием поляризационной оптики. Верхняя часть средней (мышечной) оболочки содержит ретикулярные волокна, состоящие преимущественно из коллагена III типа. В нижнем слое (адвентициальной оболочке) находятся толстые волокна и пучки, образованные коллагеном I типа Дефицит коллагена III типа может вызвать разрыв стенки артерии. Среднее увеличение. Рис. 5-23. Плотная неоформленная соединительная ткань дермы человека содержит толстые пучки коллагеновых во- локон. Видны также ядра фибробластов (треугольники) и небольшое количество мелких кровеносных сосудов (КС). Окраска: гематоксилин—эозин. Среднее увеличение. 133
Гистология Рис. 5-24. А — тотальный препарат брыжейки молодой крысы. Видны окрашенные пикросириусом красный неанасто- мозирующие пучки коллагеновых волокон, тогда как эластические волокна, окрашенные орсеином, имеют вид тонких темных анастомозирующих волокон. Коллагеновые и эластические волокна образуют структурную основу брыжейки и обеспечивают ее эластичность соответственно. Среднее увеличение Б — тот же препарат при изучении методом поля- ризационной микроскопии. Наблюдаются коллагеновые пучки различной толщины. В участках взаимного наложения пучки коллагена имеют темный цвет. Среднее увеличение. коллагена, гликопротеинами и протеогликанами. Они состоят из рыхло упакованных, тонких (в сред- нем 35 нм) фибрилл (рис. 5-26), связанных воедино многочисленными мелкими межфибриллярными мостиками, которые, вероятно, образованы проте- огликанами и гликопротеинами. Из-за своего малого диаметра ретикулярные волокна приобретают зеле- ный цвет при окраске сириусом красным и исследо- вании методом поляризационной микроскопии. Ретикулярные волокна особенно многочисленны в гладких мышцах, эндоневрии и строме органов кроветворения (гемопоэтических органов), на- пример селезенки, лимфатических узлов, красного костного мозга; они образуют сеть вокруг клеток 134
Глава 5. Соединительная ткань Рис. 5-25. Корковое вещес- тво надпочечника. Окраши- вание солями серебра выяв- ляет ретикулярные волокна. Срез имеет значительную толщину, чтобы лучше продемонстрировать сети из ретикулярных волокон, образованных коллагеном III типа. Ядра черные, ци- топлазма не окрашена Сред- нее увеличение Рис. 5-26. Ретикулярные (слева) и коллагеновые (справа) волокна (поперечные срезы). Обрати ie внимание на io, что каждый тип волокон состоит из многочисленных мелких коллагеновых фибрилл Ретикулярные фибриллы (Р) значи- тельно тоньше коллагеновых фибрилл коллагеновых волокон (К: см. гистограмму на врезке); к юму же с поверхностью фибрилл, образующих ретикулярные волокна, связан отчетливо выраженный гранулярный ма терна I, который в обычных коллагеновых фибриллах (справа) отсутствует. Электронная микрофотография, х70 ООО 135
Гистология паренхиматозных органов (например, в печени, эндокринных железах). Благодаря малому диаметру и рыхлому распределению ретикулярные волокна образуют гибкую сеть в органах, в которых меняют- ся форма или объем, таких, как артерии, селезенка, печень, матка и мышечные слои в кишечнике. МЕДИЦИНСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ Болезнь Элерса-Данло IV типа, для которой ха- рактерен дефицит коллагена III типа, характери- зуется разрывами артерий и кишки (табл. 5-4) — структур, богатых ретикулярными волокнами. Система эластических волокон Система эластических волокон состоит из трех типов волокон — окситалановых, элауниновых и эласти- ческих. Элементы системы эластических волокон в ходе развития претерпевают три последовательных стадии дифференцировки, различающиеся коли- чеством белка эластина, который имеется в каждом типе волокон (рис. 5-27 и 5-28). Окситалановые (греч. oxys — тонкий) волокна обнаруживаются в волокнах ресничного пояска (цилиарной, или цинновой, связки) глаза, а также в тех участках, где дерма связывает эластическую систему с базальной пластинкой. Окситалановые волокна не являются эластическими — они не содержат белка эластина, но они высокорезистентны к силам натяжения. Они образованы пучком микрофибрилл диаметром 10 нм, состоящих из различных гликропротеинов, включая фибромодулин I и II и крупную молекулу — фибрил- лин. На второй стадии развития между окситалано- выми волокнами появляются неправильной формы скопления белка эластина, что приводит к формиро- ванию элауниновых (греч. elaunem — тянуть) волокон. Элауниновые волокна содержат смесь эластина и микрофибрилл без какой-либо предпочтительной ориентации. Эти структуры обнаруживаются, на- пример, вокруг потовых желез и в дерме. В течение третьей стадии развития эластин постепенно на- капливается, заполняя центральную часть волокон, которые окружаются тонкой оболочкой из микро- фибрилл. Это — эластические волокна, наиболее многочисленные компоненты системы эластических волокон. Поскольку они богаты белком эластином, они легко растягиваются в ответ на натяжение. Система эластических волокон, посредством использования различных соотношений микро- фибрилл и эластина, образует семейство волокон, чьи различные функциональные характеристики адаптированы к локальным потребностям тканей. Предшественником эластина является проэлас- тин — глобулярная молекула (с молекулярной массой 70 кДальтон), которая образуется фибробластами в соединительной ткани и гладкими миоцитами в кровеносных сосудах. Проэластин полимеризует- ся, образуя эластин, аморфный, похожий на резину гликопротеин, который преобладает в зрелых волок- нах. Эластин резистентен к кипячению, экстракции кислотой и щелочью и перевариванию обычными протеазами. Его легко гидролизует панкреатическая эластаза. По аминокислотному составу эластин напоминает коллаген, потому что оба белка богаты глицином и пролином. Эластин содержит две необычные ами- нокислоты — десмозин и изодесмозин, образующиеся в результате ковалентых реакций между четырьмя Рис. 5-27. Соединитель- нотканная часть кожи (де- рма). Избирательное ок- рашивание эластических волокон. Темные эласти- ческие волокна чередуются с бледно-красными колла- геновыми волокнами. Элас- тические волокна обеспе- чивают эластичность кожи. Среднее увеличение. 136
Глава 5. Соединительная ткань А. Окситалановое Б. Элауниновое В. Эластические волокна Рис. 5-28. Развивающиеся эластические волокна. А — на ранних стадиях формирования развивающиеся волокна состоят из многочисленных мелких гликопротеиновых микрофибрилл. Б — по мере дальнейшего развития среди микрофибрилл обнаруживаются аморфные агрегаты эластина. В — аморфный эластин накапливается, в конечном итоге занимая цент- ральную часть эластических волокон, окруженную микрофибриллами. Обратите внимание на коллагеновые фибриллы, видные на поперечном срезе. Электронные микрофотографии. (С любезного разрешения G.S. Montes.) лизиновыми остатками. Эти реакции обусловлива- ют эффективное образование поперечных связей в эластине и, как полагают, ответственны за резино- подобные свойства этого белка, который формирует волокна, в пять и более раз превосходящие резину по растяжимости. На рис. 5-29 представлена мо- дель, которая иллюстрирует эластические свойства эластина. Эластин встречается также в нефибриллярной форме — он образует фенестрированные мембраны (эластические пластины, присутствующие в стенке некоторых кровеносных сосудов). МЕДИЦИНСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ Фибриллин представляет собой семейство белков, выполняющих своеобразную опорную функцию, необходимую для отложения эластина. Мутации гена фибриллина вызывают синдром Марфана — заболевание, которое характери- зуется потерей эластичности и прочности тка- нями, богатыми эластическими волокнами. Так как в крупных артериях обильно представлены компоненты эластической системы, а кровяное давление в аорте высокое, у пациентов с этим заболеванием часто развивается разрыв аорты, который представляет угрозу для жизни. ОСНОВНОЕ ВЕЩЕСТВО Межклеточное основное вещество является высоко- гидратированной, бесцветной и прозрачной сложной смесью макромолекул. Оно заполняет пространства между клетками и волокнами соединительной ткани и, поскольку оно обладает вязкостью, играет роль как смазки, так и барьера, препятствующего проникно- вению инородных частиц. При хорошей фиксации на гистологических препаратах его компоненты агрегируют и осаждаются в тканях в виде зернистого материала, который наблюдается на электронно- микроскопических препаратах в виде электронно- плотных филаментов или гранул (рис. 5-30 и 5-31). Основное вещество образуют главным образом три класса компонентов: гликозаминогликаны, протеог- ликаны и мультиадгезивные гликопротеины. Растяжение Расслабление Рис. 5-29. Молекулы эластина объединены ковалентными связями, в результате чего формируется обширная сеть, ох- ваченная поперечными сшивками. Так как каждая молеку- ла эластина в этой сети может рас тя i ива 1ься и сокращаться как независимая пружина, вся ссгьспособна натягиваться и возвращаться к исходной форме как резиновая лента. (Воспроизведено с разрешения и j Alberts В. et al. Molecular Biology of the Cell. Garland. 1983.) 137
Гистология Рис. 5-30. Структурная организация матрикса соединительной ткани. Основное вещество имеет вид мелкозернистого материала, который заполняет пространства между коллагеновыми (К) и эластическими (Э) волокнами и окружает тела и отростки фибробластов (Ф). Зернистость основного вещества является артефактом фиксации глютаральдегидом—тан- ниновой кислотой. Электронная микрофотография, х100 ООО. Рис. 5-31. Межклеточное вещество эндометрия мыши после фиксации в присутствии сафранина О. Сеть проте- огликанов заполняет межклеточные пространства. Неко- торые протеогликановые филаменты находятся в тесном контакте с клеточной поверхностью. Среднее увеличение. (С любезного разрешения С. Greca и Т.М.Т. Zorn.) Гликозаминогликаны (первоначальное название — кислые мукополисахариды) являются линейными полисахаридами, образованными повторяющимися дисахаридными единицами, которые обычно состоят из уроновой кислоты и гексозамина. В качестве гек- созамина может быть глюкозамин или галактозамин, а уроновой кислоты — глюкуроновая или идуроновая кислоты. За исключением гиалуроновой кислоты, эти линейные цепи ковалентно связаны со стерж- невым белком (рис. 5-32), в результате чего образу- ется молекула протеогликана. Вследствие изобилия гидроксильных, карбоксильных и сульфатных групп в углеводной части большинства гликозаминоглика- нов, эти молекулы являются резко гидрофильными и обладают свойствами полианионов. За исключе- нием гиалуроновой кислоты, все остальные глико- заминогликаны у взрослых до определенной степени сульфатированы. На углеводную часть протеоглика- нов приходится 80—90% массы их макромолекулы. Благодаря таким характеристикам протеогликаны способны связываться с большим числом катионов (обычно натрием) посредством электростатических (ионных) связей. Протеогликаны представляют собой резко гидратированные структуры с толстым слоем сольватационной воды, окружающим молекулу. При полной гидратации протеогликаны заполняют зна- чительно больший объем (домен), чем в безводном состоянии, и обладают высокой вязкостью. Протеогликаны состоят из стержневого белка, связанного с четырьмя главными гликозаминог- ликанами, включающими дерматансульфат, хонд- роитинсульфат. кератансульфат и гепарансульфат. В табл. 5-5 приведены химический состав и тканевое распределение гликозаминогликанов и протеоглика- нов. Протеогликан представляет собой трехмерную структуру, которую можно представить как щетку («ершик») для мытья пробирок: в ней удлиненная основа соответствует стержневому белку, а щетин- ки — гликозаминогликанам (см. рис. 5-32). Уставов- 138
Глава 5. Соединительная ткань Рис. 5-32. Молекулярная структура протеогликанов и гликопротеинов. А — протеогликаны содержат осевой белок (вертикальный стержень на рисунке), с которым ковалентно связаны молекулы гликозаминогликанов (ГАГ). ГАГ представляет собой неразветвленный полиса- харид, состоящий из повторяющихся дисахаридов; одним из компонентов является аминосахар, другим — уроновая кислота. Протеогликаны содержат большее количество углеводов, чем гликопротеины. Б — гликопротеины яв- ляются глобулярными белковыми молекулами, к которым ковалентно прикреплены ветвящиеся цепи моносахари- дов. (Воспроизведено с разрешения из Junqueira L.C.U.. Carneiro J. Biologia Celular e Molecular. — 7th ed. — Editora Guanabara Koogan, 2000.) лено, что в хряще молекулы протеогликанов связаны с цепью гиалуроновой кислоты, образуя крупные молекулы — агрегаты протеогликанов. Кислотные группы протеогликанов обусловливают прикреп- ление этих молекул к основным аминокислотным остаткам коллагена. Протеогликанам свойственно молекулярное разнообразие; их можно выявить в цитоплазматических гранулах (как, например, гепа- рин — в тучных клетках), на клеточной поверхности и в межклеточном веществе. В одном межклеточном веществе могут содержаться несколько различных типов стержневых белков, причем каждый может быть связан с разным числом гликозаминогликанов разной длины и состава. Одним из наиболее важных протеогликанов межклеточного вещества является аггрекан, который прсдставляс! собой преоблада- ющий протеогликан хряща. В анреканс несколько молекул протеогликанов (содержащих цепи хондро- итинсульфата) нековалентно связаны стержневым белком с молекулой гиалуроновой кислоты. Про- теогликаны клеточной поверхности прикреплены к плазматической мембране клеток многих типов, в особенности, эпителиальных клеток. В качестве двух примеров можно привести синдекан и фибро! - ликан. Стержневой белок протеогликанов клеточной поверхности пронизывает плазматическую мем- брану, продолжаясь в виде короткой цитозольной цепи. Небольшое количество цепей гликозаминог- ликанов гепарансульфата или хондроитинсульфата прикреплено к внеклеточной части осевого белка (рис. 5-33). Помимо того, что как внеклеточные, так и повер- хностные протеогликаны выполняют роль структур- ных компонентов межклеточного вещества и эле- ментов, прикрепляющих клетки к межклеточному веществу, они также связывают многочисленные белковые факторы роста, например трансформиру- ющий фактор роста (TGF-0) Синтез протеогликанов начинается в грЭПС, где происходит образование белковой части моле- кулы. Гликозилирование первоначально протекает в грЭПС и завершается в комплексе Гольджи, где осу- ществляется также сульфатирование (см. главу 2). Мультиадгезивные гликопротеины являются соединениями, состоящими из белковой части, к которой прикреплены углеводы. В отличие от про- теогликанов, белковая часть в них обычно является преобладающей, причем в этих молекулах нет линей- ных полисахаридов, образованных повторяющимися Рис. 5-33. Строение протеогликана клеточной поверхности синдекана (схема). Стержневой бе юк пронизывает плаз- матическую мембрану пос реле i вом ни юплазматического домена. Синдекановые про геоi тканы содержат три пепи гепарансульфата иног ia хон (роишнсульфата. 139
Гистология Таблица 5-5. Состав и распределение гликозаминогликанов в соединительной ткани и их взаимодействия с коллагеновыми волокнами Повторяющиеся дисахариды Гликозаминогликан Гексуроновая кислота Гексозамин Распределение Электростатическое вза- имодейстие с коллагеном Гиалуроновая кис- лота D-Глюкуроновая кислота D-Глюкозамин Пупочный канатик, сино- виальная жидкость, стек- ловидное тело, хрящ I i Хондроитин-4-суль- фат D-Глюкуроновая кислота D-Галактозамин Хрящ, кость, роговица, кожа, хорда, аорта Высокий уровень взаимо- действия, преимуществен- но с коллагеном II типа Хондроитин-6-суль- фат D-Глюкуроновая кислота D-Галактозамин Хрящ, пупочный канатик, кожа, аорта (средняя обо- лочка) Высокий уровень взаимо- действия, преимуществен- но с коллагеном II типа Дерматансульфат L-Идуроновая кис- лота или D-глюку- роновая кислота D-Галактозамин Кожа, сухожилие, аорта (адвентиция) Высокий уровень взаимо- действия, преимуществен- но с коллагеном I типа Гепарансульфат D-Глюкуроновая кислота или L-Идуроновая кис- лота D-Галактозамин Аорта, легкое, печень, базальные пластинки Высокий уровень взаимо- действия, преимуществен- но с коллагенами III и IV типов Кератансульфат (роговица) D-Галактоза D-Галактозамин Роговица Отсутствует Кератансульфат (скелет) D-Галактоза D-Глюкозамин Хрящ, студенистое ядро, фиброзное кольцо Отсутствует т МЕДИЦИНСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ Разрушение протеогликанов осуществляется несколькими типами клеток и зависит от присутс- твия ряда лизосомальных ферментов. Описаны некоторые расстройства, при которых недоста- точность лизосомальных ферментов вызывает блокирование разрушения гликозаминогликанов с последующим накоплением этих веществ в тка- нях. Обнаружено, что отсутствие специфических гидролаз в лизосомах является причиной ряда расстройств у человека, включая синдромы Хюр- лера, Хантера, Санфилиппо и Моркио. Вследствие своей высокой вязкости межкле- точное вещество играет роль барьера, препятс- твующего проникновению бактерий и других микроорганизмов. Поэтому фермент гиалуро- нидаза, гидролизующий гиалуроновую кислоту и другие гликозаминогликаны, продуцируемый некоторыми бактериями, придает им высокую способность к внедрению (инвазии) в ткани, пос- кольку он снижает вязкость основного вещества соединительной ткани. дисахаридами, содержащими гексозамины. Вместо этого углеводная часть гликопротеинов часто пред- ставляет собой разветвленную структуру. Из соединительной ткани выделено несколько гликопротеинов, которые играют важную роль не только во взаимодействии между соседними клет- ками у взрослого и эмбриона, но и в адгезии клеток к их субстратам. Фибронектин (A'sa.fibra — волокно + nexus — соединение) — это гликопротеин, син- тезируемый фибробластами и некоторыми эпите- лиальными клетками. Его молекула массой 222— 240 кДальтон обладает участками связывания клеток, коллагена и гликозаминогликанов. Взаимодейс- твия в этих участках способствуют осуществлению нормальной адгезии и миграции клетки (рис. 5-34). Фибронектин распределен в виде сети в межклеточ- ных пространствах многих тканей (рис. 5-34 и 5-35). Ламинин представляет собой крупный гликопроте- ин, участвующий в адгезии эпителиальных клеток к базальной пластинке, которая является структурой, богатой ламинином (рис. 5-34 и 5-36). Взаимодействие клеток с компонентами меж- клеточного вещества опосредуют поверхностные клеточные молекулы (рецепторы матрикса), кото- рые связываются с коллагеном, фибронектином и ламинином. Этими рецепторами являются интег- рины — семейство трансмембранных связующих белков (рис. 5-37 и 5-38). Интегрины связываются со своими лигандами в межклеточном веществе со сравнительно низкой аффинностью, что позво- ляет клетке обследовать свое окружение, не утра- чивая прикрепления к матриксу и не оказываясь прочно связанной с ним. Очевидно, что интегрины должны взаимодействовать с цитоскелетом, обычно актиновыми микрофиламентами. Взаимодействия между интегринами, межклеточным веществом и элементами цитоскелета опосредованы несколькими 140
Глава 5. Соединительная ткань А. Димер фибронектина Рис. 5-35. Эндометрий мыши (поперечный срез). Имму- ноцитохимическое окрашивание выявляет распределение фибронектина в строме эндометрия. Среднее увеличение. (С любезного разрешения D. Tenorio и ТМ.Т Zorn.) Рис. 5-34. А — структура фибронектина. Фибронектин является димером, объединенным S—S группами и состо- ящим из последовательно расположенных спиралевидных участков, которые связываются с коллагеном I типа, гепарансульфатом, другими протеогликанами и рецеп- торами клеточной мембраны. Б — структура ламинина (представлена тремя полипептидами, переплетающимися в форме креста). На рисунке показаны участки молекулы с высокой аффинностью к рецепторам клеточной мем- браны, коллагену IV типа и гепарансульфату, которые являются компонентами базальных пластинок. Таким об- разом. ламинин обеспечивает адгезию клетки к базальной пластинке. (Воспроизведено с разрешения из Junqueira L.C.U., Carneiro J. Biologia Celulare Molecular. — 7th ed. — Editora Guanabara Koogan, 2000.) внутриклеточными белками, такими, как паксилин, винкулин и талин. Взаимодействия между межкле- точным веществом и цитоскелетом, опосредованные интегринами, осуществляются в обоих направлениях и играют важную роль в ориентации как клетки, так и межклеточного вещества в тканях (см. рис. 5-37). МЕДИЦИНСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ Высказано предположение о роли фибронектина и ламинина как в эмбриональном развитии, так и в повышенной способности раковых клеток внед- ряться в другие ткани. Значение фибронектина демонстрируется тем фактом, что мыши, у кото- рых фибронектин был инактивирован, погибают в течение раннего эмбриогенеза. В соединительной ткани, помимо основного вещества, имеется очень небольшое количество жидкости; это — так называемая тканевая жидкость, которая по концентрации ионов и диффундируем ы\ веществ сходна с плазмой крови. В тканевой жидкос- ти содержатся белки плазмы с низкой молекулярной массой, небольшая часть которых прохо ип чсрсч стенку капилляров вследствие гидросшгическок) давления крови. Хотя лишь очень малая часы» со- единительной ткани состоит из белков ила »мы, со- гласно оценкам, из-за ее широкого распрос i ранения, до одной трети белков плазмы, имеющихся в орга- низме, накапливаются в межклеточном веществе соединительной ткани. Кровь приноси г в соедини- тельную ткань различные тпатсльныс вещества, которые необходимы ыя ее клеток, и уносит вредные 141
Гистология Рис. 5-36. Язык (попереч- ный срез). Иммуноцито- химическое окрашивание выявляет распределение ламинина в базальных мем- бранах слоя эпителия, ка- пиллярных кровеносных сосудов, нервных волокон и поперечнополосатой мыш- цы. Среднее увеличение. Рис. 5-37. Интегриновый рецептор межклеточного ве- щества на клеточной поверхности. Связываясь с белком межклеточного вещества и с актиновым цитоскелетом (через а-актинин) внутри клетки, интегрин служит трансмембранным связующим элементом. Молекула ин- тегрина представляет собой гетеродимер с а- и р-цепями. «Головка» молекулы может выступать над поверхностью клеточной мембраны в сторону межклеточного вещества примерно на 20 нм. продукты метаболизма к органам детоксикации и выделения, таким, как печень и почки. На воду, содержащуюся в капиллярах, действу- ют две силы: гидростатическое давление крови, результат насосного действия сердца, которое заставляет воду перемещаться через стенку капил- ляра, и коллоидное осмотическое давление плазмы крови, которое притягивает воду назад в капилляры (рис. 5-39). Осмотическое давление обусловлено преимущественно белками плазмы. Поскольку ионы и вещества с низкой молекулярной массой свободно проходят через стенки капилляров, их концентрация внутри этих кровеносных сосудов и за их пределами примерно одинакова, а осмотическое давление, которое они обусловливают, приблизительно равно по обеим сторонам капилляра, сводя различия к нулю. Коллоидное осмотическое давление, вызы- ваемое макромолекулами белков крови, которые не способны проходить через стенку кровеносных со- судов, не уравновешивается наружным давлением и стремится вернуть воду назад в кровеносный сосуд. В нормальных условиях вода проходит через стенку капилляра в окружающие ткани у артериаль- ного края капилляра, потому что гидростатическое давление здесь выше, чем коллоидное осмотическое давление; гидростатическое давление, однако, сни- жается подлине капилляра в направлении венозного края. По мере того, как снижается гидростатическое давление, осмотическое давление нарастает вследс- твие прогрессивного увеличения концентрации бел- ков, что вызвано выделением воды из капилляров В результате этого нарастания концентрации белка и снижения гидростатического давления осмотическое давление становится больше, чем гидростатическое давление у венозного края капилляра, и вода привле- кается назад в капилляр (см. рис. 5-39). Таким путем 142
Глава 5. Соединительная ткань в соединительной ткани циркулируют метаболиты, питая ее клетки. Количество воды, которое возвращается в сосуды, меньше, чем то количество, которое выделяется Рис. 5-38. Интегрин ос2 в эндометрии мыши. Интегрин ос2 (зеленая флюоресценция) выявляется в цитоплазме клеток маточной железы Ядра (красный цвет) окраше- ны флюоресцентным красителем йодидом пропидия. Среднее увеличение. (С любезного разрешения F Costa и Р.А. Abrahamsohn.) в ткани через капилляры. Во ы. ы щрживаюшаяся в соединительной ткани, возвращаемся в кровь через лимфатические сосуды. Самыми мелкими лим- фатическими сосудами являются шмфатичсские капилляры, которые начинаются в сое щн игольной ткани своими закрытыми концами. Лимфатичес- кие сосуды открываются в вены у основания шеи (см. главу 11). Вследствие равновесия, которое существует меж- ду водой, проникающей в межклеточное вещество соединительной ткани и покидающей его, в самой ткани содержится лишь небольшое количество сво- бодной воды. В некоторых патологических состоя- ниях объем тканевой жидкости может существенно увеличиваться, вызывая отек. На гистологических срезах это состояние характеризуется расширением пространств между компонентами соединительной ткани, которое обусловлено нарастанием содержания жидкости. Макроскопически при отеке происходит увеличение объема ткани, которая легко уступает воздействию: при надавливании на участок ткани появляется медленно исчезающая ямка. Отек может возникать вследствие нарушения от- тока по венозным или лимфатическим сосудам из-за их непроходимости, атакже при снижении венозного кровотока (например, при застойной сердечной не- достаточности). Он может явиться также результатом закупорки лимфатических сосудов паразитически- ми эмболами или опухолевыми клетками или быть Рис. 5-39. Перенос жидкости в соединительной ткани. От артериального к венозному краю кровеносных капилляров происходит снижение гидростатического давления и увеличение осмотического давления (верхняя часть рисунка). Жидкость покидает капилляр через его артериальный край и возвращается в кровь через венозный. Часть жидкости удаляется лимфатическими капиллярами 143
Гистология следствием хронического голодания. Белковая не- достаточность приводит к дефициту белков в плазме и снижению коллоидного осмотического давления. Вода при этом накапливается в соединительной ткани и не возвращается назад в капилляры. Другой возможной причиной отека является уве- личенная проницаемость эндотелия кровеносных капилляров или посткапиллярных венул вследствие химического, механического повреждения или выделения некоторых веществ, продуцируемых в организме (например, гистамина). МЕДИЦИНСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ Отек возникает в результате накопления воды в межклеточных пространствах. Вода в межкле- точном компартменте соединительной ткани происходит из крови вследствие ее перемещения через стенку капилляров. Стенка капилляров лишь слегка проницаема для макромолекул, но пропускает воду и мелкие молекулы, включая белки с низкой молекулярной массой. ТИПЫ СОЕДИНИТЕЛЬНОЙ ТКАНИ Существуют несколько типов соединительной ткани, которые состоят из уже описанных основных компо- нентов: волокон, клеток и основного вещества. Назва- ния, которые даны различным типам ткани, отражают либо преобладающий тканевой компонент, либо структурную характеристику ткани. На рис. 5-40 пред- ставлены основные типы соединительной ткани. Собственно соединительная ткань Имеются два класса собственно соединительной ткани: рыхлая и плотная (рис. 5-41). Рыхлая соединительная ткань поддерживает мно- гие структуры, на которые в нормальных условиях действуют давление и небольшое трение. Она являет- ся очень распространенным типом соединительной Рис. 5-41. Кожа крысы в процессе заживления повреж- дения. Подэпителиальная соединительная ткань (дерма) представлена рыхлой соединительной тканью, сформи- рованной вскоре после нанесения повреждения. В этом участке очень многочисленны клетки, большая часть ко- торых является фибробластами Самая глубокая часть де- рмы состоит из плотной неоформленной соединительной ткани, которая содержит большое количество произвольно ориентированных толстых коллагеновых волокон, скудное основное вещество и немногочисленные клетки. Окраска: гематоксилин—эозин. Среднее увеличение. (С любезного разрешения ТМ.Т. Zorn.) Рис. 5-40. Классификации главных типов соединительной ткани, кото- рые обсуждаются в указанных главах (упрощенная схема). 144
Глава 5. Соединительная ткань ткани и заполняет пространства между группами мы- шечных клеток, поддерживает эпителиальную ткань и образует оболочку, окружающую лимфатические и кровеносные сосуды. Рыхлая соединительная ткань обнаруживается в сосочковом слое дермы, в гиподерме, серозных оболочках брюшной и плевральной полостей, а также в железах и слизистых оболочках (влажных выстилках полых органов), где она поддерживает эпителиальные клетки. Рыхлая соединительная ткань (рис. 5-42) включает все главные компоненты собственно соединительной ткани. В этой ткани нет преобладающих элементов. Наиболее многочисленными клетками являются фибробласты и макрофаги, однако присутствуют также и другие типы клеток соединительной ткани. Выявляется умеренное количество коллагеновых, эластических и ретикулярных волокон. Рыхлая со- единительная ткань обладает тонкой консистенцией, гибкостью, развитой сосудистой сетью и слабой устойчивостью к нагрузкам. Плотная соединительная ткань приспособлена к высокой сопротивляемости нагрузкам и выпол- нению защитных функций. Она состоит из тех же компонентов, что обнаруживаются в рыхлой соеди- нительной ткани, однако содержание клеток в ней значительно ниже, а коллагеновые волокна отчетливо преобладают над другими компонентами (рис. 5-43). Плотная соединительная ткань обладает меньшей гибкостью и значительно большей устойчивостью к нагрузкам, чем рыхлая соединительная ткань. Если коллагеновые волокна в пси располагаются в виде пучков, не имеющих опре (елейной ориентации, то это — плотная неоформленная сое шишельная ткань. В плотной неоформленной соединиle ibiion ткани коллагеновые волокна формирую! i рехмерную се 1 ь и обеспечивают устойчивость к нагрузкам, которые действуют во всех направлениях. Этот 1ип !кани встречается в таких участках, как дерма. Плотная оформленная соединительная ткань отличается упорядоченностью расположения кол- лагеновых пучков. Коллагеновые волокна в этой ткани ориентированы в соответствии с линейным расположением фибробластов, которое возникает в ответ на длительные нагрузки, воздействующие в одном направлении; поэтому они очень устойчивы к силам натяжения. Наиболее характерным примером плотной оформленной соединительной ткани являются су- хожилия. Эти удлиненные цилиндрические струк- туры прикрепляют поперечнополосатые мышцы к костям; вследствие богатства коллагеновыми волокнами они имеют белый цвет и нерастяжи- мы. Они состоят из параллельно лежащих плотно упакованных пучков коллагеновых волокон, раз- деленных небольшим количеством межклеточного основного вещества. Фиброциты в сухожилиях содержат удлиненные ядра, лежащие параллельно волокнам, и имеют редкие цитоплазматические отростки, которые частично охватывают колла- геновые пучки. Цитоплазма этих фиброцитов редко выявляется при окраске гематоксилин—эо- Рис. 5-42. Рыхлая соединительная ткань. Многочисленные ядра фибробластов разбросаны срс ш неупорядоченно рас- положенных коллагеновых волокон. Мелкие кровеносные сосуды показаны стрелками. Окраска: юмаюксилин—эозин. Среднее увеличение. 145
Гистология Рис. 5-43. Незрелая плотная неоформленная коллагеновая ткань. Присутствуют многочисленные фибробласты (стрелки) с множественными тонкими цитоплазматическими выростами (треугольники). Поскольку эти клетки сдавливаются коллагеновыми волокнами, вид их цитоплазмы зависит от ориентации среза: когда он проходит параллельно клеточной поверхности, видны участки цитоплазмы. Окраска: парарозанилин—толуидиновый синий. Среднее увеличение. зином не только потому, что она слабо развита, но и из-за того, что она окрашивается в тот же цвет, что и волокна (рис. 5-44 и 5-45). Коллагеновые сухожильные пучки (первичные пучки) складываются в более крупные (вторичные пучки), которые окружены оболочкой из рыхлой соединительной ткани, содержащей кровеносные сосуды и нервы. Снаружи сухожилие окружено оболочкой из плотной соединительной ткани. В некоторых сухожилиях эта оболочка состоит из двух слоев, оба из которых выстланы плоскими клетками мезенхимного происхождения. Один слой прикреплен к сухожилию, а другой выстилает соседние структуры. Между двумя слоями фор- мируется полость, содержащая вязкую жидкость (похожую на жидкость синовиальных суставов). Эта жидкость, в состав которой входят вода, белки, гликозаминогликаны, гликопротеины и ионы, яв- ляется «смазкой», обеспечивающей легкое сколь- жение сухожилия внутри его оболочки. Эластическая ткань Эластическая ткань состоит из пучков толстых, рас- положенных параллельно друг другу эластических волокон. Пространства между этими волокнами заняты тонкими коллагеновыми волокнами и уп- лощенными фибробластами. Наличие множества эластических волокон в этой ткани обусловливает типичный для нее желтый цвет и очень большую эластичность. Эластическая ткань, которая встре- чается нечасто, присутствует в желтых связках позвоночного столба и в подвешивающей связке полового члена. Ретикулярная ткань Ретикулярная ткань образует очень рыхлые трех- мерные сети, которые обеспечивают поддержива- ющую функцию по отношению к другим клеткам. Ретикулярная ткань представляет собой специали- зированную рыхлую соединительную ткань, состо- ящую из ретикулярных волокон, тесно связанных со специализированными фибробластами, которые называются ретикулярными клетками (рис. 5-46). Ретикулярная ткань формирует архитектурный каркас, который создает особое микроокружение в гемопоэтических и лимфоидных органах (кос- тный мозг, лимфатические узелки и узлы, селе- зенка). Ретикулярные клетки рассеяны по всему этому каркасу и частично охватывают ретикуляр- ные волокна и основное вещество своими цитоп- лазматическими отростками. Такая выстланная клетками система перегородок (трабекул) образует сходную с губкой структуру (см. рис. 5-46), внутри которой могут свободно перемещаться клетки и жидкости. В дополнение к ретикулярным клеткам вдоль тра- бекул стратегически распределены клетки системы мононуклеарных фагоцитов. Эти клетки контро- 146
Глава 5. Соединительная ткань лируют медленный ток веществ через щелевидные пространства и удаляют инородные частицы пос- редством их фагоцитоза. Слизистая ткань Слизистая ткань обнаруживается в основ- «f ном в пупочном канатике. Она характе- ре^ ризуется изобилием основного вещества, состоящего преимущественно из гиалуроновой кислоты (рис. 5-47). Слизистая гкаш» имеет желе- образную консистенцию и содержи г очень мало во- локон. Клетки в этой ткани представлены главным образом фибробластами. Слизистая т кань является главным компонентом пупочного канатика, в ко- тором ее часто называют вартоновым студнем. Она также обнаруживается в пульпе зубов в молодом возрасте. Рис. 5-44. Плотная оформленная соединительная ткань сухожилия (продольный срез). А — ю iciuc пучки параллельно лежащих коллагеновых волокон заполняют межклеточные пространства, разделяющие фиброблас i ы Малое увеличение. Б — сухожилие молодого животного при большем увеличении Обратите внимание на активные фибробласты с крупными зонами комплекса Гольджи и темной цитоплазмой, богатой РНК. Окраска: параро тип. птн готу иди новый синий. 147
Гистология Рис. 5-45. Фиброцит плотной оформленной соедини- тельной ткани. Слабо развитая цитоплазма фиброцитов разделяется на многочисленные тонкие отростки, которые частично охватывают коллагеновые волокна. Электронная микрофотография, х25 ООО. Рис. 5-46. Ретикулярная соединительная ткань. Пока- заны только связанные между собой клетки и волокна (свободные клетки не представлены). Ретикулярные волокна охвачены цитоплазмой ретикулярных клеток; волокна, однако, располагаются внеклеточно и отделены от цитоплазмы клеточной мембраной. В щелевидных пространствах свободно перемещаются клетки и тканевая жидкость органа. Рис. 5-47. Слизистая ткань пупочного канатика эмбриона Фибробласты погружены в очень рыхлое межклеточное вещество, образованное преимущественно молекулами основного вещества. Окраска: гематоксилин—эозин Среднее vbc (имение. 148
Глава 5. Соединительная ткань СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ Deyl Z., Adam М. Connective Tissue Research: Chemistry, Biology and Physiology — Liss, 1981. Gay S., Miller E.J. Collagen in the Physiology and Pathology of Connective Tissue. — Gustav Fischer, 1978. Greca C.P. et al. Ultrastructural cytochemical characterization of collagen-associated proteoglycans in the endometrium of mice //Anat. Rec. — 2000. — Vol. 259. — P. 413. Hay E.D. (editor). Cell Biology of Extracellular Matrix. — 2nd ed. — Plenum, 1991. Hogaboam C. et al. Novel role of transmembrane SCF for mast cell activation and eotaxin production in mast cell-fibroblast interaction //J. Immunol. — 1998. — Vol. 160. — P. 6166. Jamur M.C. et al. Immunomagnetic isolation of rat bone marrow derived and peritoneal mast cells // J. Histochem. Cytochem. - 1997. - Vol. 45. - P. 1715. Junqueira L.C.U. et al. Picrosirius staining plus polarization microscopy, a specific method for collagen detection in tissue sections 11 Histochem. J. — 1979. — Vol. 11. — P. 447. Junqueira L.C.U., Montes G.S. Biology of Cell proteoglycan interaction //Arch. HistoL Jpn. — 1983. — Vol. 6. — P. 589. Kefalides N.A. et al. Biochemistry and metabolism of basement membranes // Int. Rev. CytoL — 1979. — Vol. 1. — P. 167. Krstic R.V Illustrated Encyclopedia of Human Histology. — Springer-Verlag, 1984. Mathews M.B. Connective Tissue, Macromolecular Structure and Evolution. — Springer-Verlag, 1975. Mercalafe D.D. et al. Mast cells // Physiol. Rev. — 1997. — Vol. 77.-P. 1033. Montes G.S. et al. Collagen distribution in tissues. In: Ultrastructure of the Connective Tissue Matrix. Ruggieri A., Motta P.M. (editors). — Martinus Nijhoff, 1984. Montes G.S., Junqueira L.C.U. The use of the picrosirius- polarization method for the study of biopathology of collagen // Mem. Inst. Oswaldo. Cruz. — 1991. — 86 (suppl). — P. 1. Prockop D.J. et al: The biosynthesis of collagen and its disorders // N. Engl. J. Med. — 1979. — Vol. 301. — P. 77. Sandberg L.B. et al. Elastin structure, biosynthesis, and relation to disease state // N. Engl. J. Med. 1981. — Vol. 304. - P. 566. Van Furth R. (editor). Mononuclear Phagocytes: Functional Aspects. 2 vols. — Martinus Nijhoff, 1980. Yamada K.M., Miyamoto S. Integrin transmembrane signaling andcytoskeletalcontrol//Curr. Opin. Cell. Biol. — 1995. — Vol. 143. - P. 2323.
ГЛАВА 6 ЖИРОВАЯ ТКАНЬ Жировая ткань представляет собой особый тип соединительной ткани, в котором преобладают жи- ровые клетки, или адипоциты (лат. adeps — жир). В собственно соединительной ткани эти клетки выяв- ляются поодиночке или в виде мелких групп, однако большинство их образуют крупные скопления и вхо- дят в состав жировых тканей, которые широко рас- пространены по всему телу. В определенном смысле жировые ткани образуют один из наиболее крупных органов нашего тела. У мужчин нормального веса на жировую ткань приходится 15—20% массы тела, у женщин нормального веса — 20—25%. В организме жировая ткань является крупнейшим хранилищем энергии (в форме триглицеридов). Другими органами, которые накапливают энергию (в форме гликогена), являются печень и скелетные мышцы. Поскольку прием пищи осуществляется периодически, а поступление гликогена огра- ничено, возникает необходимость мобилизации больших запасов энергии в промежутках между приемами пищи. Так как триглицериды имеют более низкую плотность, чем гликоген, и обладают более высокой калорийностью (энергетической ценностью) (9,3 ккал/г для триглицеридов против 4,1 ккал/г для углеводов), жировая ткань является очень эффективным хранилищем энергии. Она находится в состоянии непрерывного обмена и чувствительна как к нервной, так и к гормональ- ной стимуляции. Подкожный слой жировой ткани способствует приданию формы поверхности тела, а ее отложения в виде подушечек или прокладок действуют как поглотители ударов и толчков, пре- имущественно на подошвах и ладонях. Так как жир является плохим проводником тепла, он принимает участие в термоизоляции организма. Жировая ткань также заполняет про- странства между другими тканями и способствует сохранению нормального положения органов. Недавно было установлено, что жировая ткань секретирует несколько разных типов молекул, которые переносятся кровью и воздействуют на далеко расположенные органы. Известны два типа жировой ткани, которые имеют различные расположение, структуру, цвет и свойства при развитии патологических процессов. Однокапельная (обычная, или желтая)* жиро- вая ткань состоит из клеток, которые при полном развитии содержат одну крупную центрально рас- положенную каплю желтого жира в цитоплазме. ’ В большинстве учебников и руководств, включая отечест- венные, эта ткань называется белой жировой тканью. Так же она именуется и в МГТ. — Примеч. пер. Многокапельная (или бурая)** жировая ткань состоит из клеток, содержащих многочисленные липидные капли и множество коричневых митохондрий. Оба типа жировой ткани обладают богатым кровоснаб- жением. ОДНОКАПЕЛЬНАЯ ЖИРОВАЯ ТКАНЬ Цвет однокапельной жировой ткани варьирует от бе- лого до темно-желтого в зависимости от рациона; он обусловлен преимущественно присутствием каротино- идов, растворенных в жировых каплях, которые содер- жатся в клетках. Почти вся жировая ткань у взрослых относится к этому типу. Она обнаруживается по всему телу человека, за исключением век, полового члена и мошонки, а также всей ушной раковины — части на- ружного уха (не считая мочки уха). На распределение и плотность жировых отложений оказывают влияние половая принадлежность и возраст. У новорожденного однокапельная жировая ткань равномерно распределена по всему телу. По мере роста и созревания ребенка эта ткань исчезает из одних участков тела и откладывается в других. Ее распределение частично регулируется половыми гор- монами и гормонами коры надпочечника, которые контролируют накопление жира и в значительной мере ответственны за формирование мужских или женских очертаний тела. Однокапельные жировые клетки в изолированном состоянии имеют сферическую форму, но в жировой ткани, где они плотно упакованы, их форма стано- вится многогранной. Диаметр отдельных клеток варьирует от 50 до 150 мкм. Так как жировые капли удаляются спиртом и ксилолом, которые использу- ют в стандартной гистологической технике, каждая клетка на обычных микроскопических препаратах выглядит как тонкое кольцо цитоплазмы, окру- жающее вакуоль, оставшуюся после растворения жировой капли, отсюда появилось ее другое назва- ние — перстеневидная клетка. В связи с описанными особенностями эти клетки имеют эксцентрично рас- положенные и уплощенные ядра (рис. 6-1). Ободок "В МГТ термины «однокапельный» и «многокапельный» используются лишь как добавочные, да ито не по отношению к вариантам жировой ткани в целом, атолько к ее клеткам — ади- поцитам; это представляется оправданным, так как жировые капли содержатся не в ткани, а в ее клетках. Единственными рекомендуемыми МГТ терминами для обозначения вариантов самой жировой ткани являются «белая» и «бурая», которые также использованы как основные для обозначения соответс- твующих типов жировых клеток. — Примеч. пер. 150
Глава 6, Жировая ткань цитоплазмы, который сохраняется после удаления накопленных триглицеридов (нейтральных жиров), может разорваться и спасться, искажая структуру ткани Самая толстая часть цитоплазмы окружает ядро этих клеток и содержит комплекс Гольджи, митохон- дрии, слабо развитые цистерны грЭПС и свободные полирибосомы. В ободке цитоплазмы, окружающем липидную каплю, находятся цистерны аЭПС и многочисленные пиноцитозные пузырьки. Элект- ронно-микроскопические исследования показали, что каждая жировая клетка, помимо одной крупной капли, выявляемой под световым микроскопом, обычно содержит мельчайшие жировые капельки. Эти капельки не окружены мембраной, но по их пе- риферии располагаются многочисленные вименти- Рис. 6-1. Однокапельная жировая ткань молодого млеко- питающего Треугольники указывают на ядра адипоцитов (жировых клеток), уплощенные и прижатые к клеточной мембране. Обратите внимание, что, хотя большая часть клеток являются однокапельными, имеются несколь- ко клеток (звездочки) с мелкими липидными каплями в цитоплазме, что указывает на их все еще незавершенную дифференцировку. Окраска: парарозанилин—толуидино- вый синий. Среднее увеличение. новые промежуточные филамсн гы. Каждая жировая клетка покрыта базальной пласт инкой. Однокапельная жировая ткань разделена на не- полные дольки прослойками волоки нс гои соеди- нительной ткани, содержащими богатое сосу uicioe русло и сеть нервов. Ретикулярные волокна, пере- плетаясь между собой, образуют тончайшую сеп., которая поддерживает отдельные жировые клетки и связывает их друг с другом. Хотя кровеносные сосуды не всегда заметны на срезах ткани, жировая ткань богато васкуляризо- вана. Если взять за точку отсчета количество цитоп- лазмы в жировых клетках, то соотношение объема крови и объема цитоплазмы окажется выше в жиро- вой ткани, чем в поперечнополосатой мышце Накопление и мобилизация липидов Однокапельная жировая ткань представляет собой огромное депо энергии в организме. Липиды, которые запасаются в жировых клетках, — это главным образом триглицериды, т.е. эфиры жирных кислот и глицерин. Жирные кислоты, накапливаемые клетками, про- исходят из жиров пищи, которые попадают в клетки жировой ткани в виде триглицеридов хиломикронов, причем триглицериды синтезируются в печени и транспортируются в жировую ткань как липопротеины очень низкой плотности (ЛОНП), а также путем синтеза свободных жирных кислот и глицерина из глюкозы с образованием триглицеридов в жировых клетках. Хиломикроны (греч. chylos — сок + micros — мелкий) являются частицами диаметром до 3 мкм, которые образуются в эпителиальных клетках кишки и транс- портируются плазмой крови и брыжеечной лимфой Они состоят из центральной части, образованной преимущественно триглицеридами и небольшим количеством эфиров холестерола, которая окружена стабилизирующим монослоем, включающим аполи- попротеины, холестерол и фосфолипиды. В состав поверхностного слоя липопротеинов очень низкой плотности входит пропорционально больше липи- дов, поскольку они имеют меньшие размеры (что дает большее соотношение между площадью повер- хности и объемом); они содержат другие аполипоп- ротеины на поверхности и обладают более высоким соотношением эфиров холестерола и триглицеридов, чем хиломикроны. Хиломикроны и липопротеины очень низкой плотности подвергаются гидролизу на люминальных (обращенных в просвет) повер- хностях кровеносных капилляров жировой ткани ферментом липопротеиновой липазой, которая син- тезируется адипоцитами и переносится к клеточной мембране капилляров. Свободные жирные кислоты проникают в адипоцит посредством механизмов, которые еще до конца не выяснены. По-видимому, в этом процессе участвует как система активного транспорта, так и свободная диффузия. Много- численные пиноцигозныс пузырьки, выявляемые 151
Гистология на поверхности адипоцитов, вероятно, не связаны с этим переносом. В процессе транспорта жирных кислот из эндотелия в жировую клетку они прохо- дят через следующие слои (по порядку): эндотелий капилляров, базальную пластинку капилляров, ос- новное вещество соединительной ткани, базальную пластинку адипоцита и плазматическую мембрану адипоцита. Механизмы перемещения жирных кис- лот через цитоплазму в липидную каплю ясны не полностью, однако в них могут быть использованы специфические белки-переносчики (рис. 6-2). Внут- ри адипоцита жирные кислоты связываются с гли- церолфосфатом, промежуточным продуктом обмена глюкозы, с образованием молекулы триглицеридов. Последние затем накапливаются в триглицеридных капельках. Митохондрии и аЭПС являются органел- лами, которые активно участвуют в процессе захвата и накопления липидов. Жировые клетки способны синтезировать жирные кислоты из глюкозы, причем этот процесс ускоряется инсулином. Инсулин также стимулирует поглощение глюкозы жировыми клетками и усиливает синтез липопротеиновой липазы. Накопленные липиды мобилизуются гумораль- ными и нейрогенными механизмами, в результате чего происходит освобождение жирных кислот и глицерина в кровь. Липаза триглицеридов — фер- мент, известный как гормонально-зависимая липаза, активируется аденилатциклазой при стимуляции ткани норадреналином. Последний выделяется в окончаниях постганглионарных симпатических нервных волокон, которые имеются в жировой ткани. Активированный фермент расщепляет мо- лекулы триглицеридов, которые располагаются преимущественно на поверхности липидных капель. Сравнительно нерастворимые жирные кислоты транспортируются в связанном с сывороточным альбумином состоянии в другие ткани организма, тогда как более растворимый глицерин остается в свободном состоянии и захватывается печенью. Гормон роста, глюкокортикоиды, пролактин, адренокортикотропный гормон, инсулин и тироид- ный гормон также оказывают влияние на различные стадии обмена жировой ткани. Жировая ткань функционирует также как секре- торный орган. Она синтезирует несколько молекул, которые переносятся кровью или остаются связан- ными с эндотелием капилляров, расположенных около жировых клеток (например, липопротеиновую липазу). Наиболее подробно изученным веществом, которое вырабатывается жировыми клетками, явля- ется лептин — белок, состоящий из 164 аминокислот, Некоторые клетки мозга и других тканей имеют рецепторы лептина. Эта молекула участвует в ре- Нервное окончание, содержащее норадреналин Гормонально- зависимая липаза Глицеролфосфат Капелька триглице- ридов (накопление) Адипоцит Капилляр - Ядро Глицерин Свободные ~ Липопротеиновая липаза Альбумин, транспор- тирующий свобод- ные жирные кислоты Альбумин жирные кислоты Рис. 6-2. Процесс накопления и выделения липидов адипоцитом. Триглицериды транспортируются кровью из кишки и печени в виде липопротеинов, известных как хиломикроны (Хило) и липопротеины очень низкой плотности (ЛПОНП) В капиллярах жировой ткани эти липопротеины частично расщепляются липопротеиновой липазой с выделением сво- бодных жирных кислот и глицерина. Свободные жирные кислоты диффундируют из капилляров в адипоциты, где они подвергаются реэстерификации до глицерол фосфата, образуя триглицериды. Полученные триглицериды накапливаются в жировых каплях до тех пор, пока в них не возникнет потребность. Норадреналин, выделяющийся нервными оконча- ниями, стимулирует систему циклического аденозинмонофосфата (цАМФ), которая активирует гормональнозависимую липазу. Гормональнозависимая липаза гидролизует накопленные триглицериды до свободных жирных кислот и глице- рина. Эти вещества диффундируют в капилляр, где свободные жирные кислоты связываются с гидрофобным участком альбумина и транспортируются в отдаленные участки тела для использования в качестве источника энергии 152
Глава 6, Жировая ткань гуляции содержания жировой ткани в организме и потребления пищи. Она действует преимущественно на гипоталамус, снижая потребление пищи и увели- чивая расход энергии. Симпатический отдел автономной нервной систе- мы обильно иннервирует как однокапельную, так и многокапельную жировую ткань. В однокапельной и жировой ткани нервные окончания обнаруживаются преимущественно в стенках кровеносных сосуд