Podstawy cytofizjologii i histofizjologii

Akademia Medyczna w Gdańsku Katedra i Zakład Histologii i Immunologii

Andrzej Myśliwski

PODSTAWY CYTOFIZJOLOGII I HISTOFIZJOLOGII

Wydanie VIII poprawione i uzupełnione

Gdańsk 2007

Wydano za zgodą Senackiej Komisji Wydawnictw Akademii Medycznej w Gdańsku

Wydanie publikacji dofinansowane przez Komitet Badań Naukowych

© Copyright by Medical University of Gdańsk ISBN 978-83-60253-33-5

Wydawca: Akademia Medyczna w Gdańsku Druk: Akademia Medyczna w Gdańsku, ul. Marii Skłodowskiej-Curie 3a. Format B-5, zlec. KW/325/07

Spis treści Przedmowa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 1. Komórka. Błony komórkowe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 1.1. Macierz cytoplazmy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 1.2. Błona komórkowa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 1.3. Siateczka śródplazmatyczna . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 1.4. Aparat Golgiego . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 1.4.1. Egzocytoza . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 1.5. Układ lizosomalny . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 1.5.1. Endocytoza . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 1.5.2. Funkcja układu lizosomalnego . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 1.6. Peroksysomy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 1.7. Mitochondria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 2. Jądro komórkowe w interfazie. Cykl komórkowy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 2.1. Otoczka jądrowa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 2.2. Chromatyna . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 2.2.1. Transkrypcja DNA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 2.2.2. Regulacja działania genów przez RNA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 2.2.3. Metylacja DNA może prowadzić do trwałego wyciszania genów . . . . . . . 40 2.3. Jąderko . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 2.4. Translacja . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 2.5. Cykl komórkowy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 2.5.1. Replikacja DNA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 2.5.2. Kariokineza . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 2.5.3. Mejoza . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 2.6. Cytoszkielet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 2.7. Proliferacja i różnicowanie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 2.7.1. Populacje komórkowe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 2.7.2. Różnicowanie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 2.7.3. Komórki macierzyste . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 2.7.4. Apoptoza . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 2.7.5. Proces starzenia się organizmu na poziomie komórkowym . . . . . . . . . . . . 59 3. Receptory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 3.1. Receptory błonowe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 3.2. Układy transdukcji sygnału . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 3.2.1. Jednoskładnikowe układy transdukcji . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 3.2.2. Wieloskładnikowe układy transdukcji . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 3.2.3. Układ transdukcji działający poprzez cyklazę adenylanową . . . . . . . . . . . 67 3.2.4. Układ transdukcji działajacy poprzez fosfolipazę C . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 3.2.5. Rola jonów wapniowych w regulowaniu funkcji komórki . . . . . . . . . . . . . 68 3.2.6. Rola tlenku azotu (NO) w regulowaniu funkcji komórki . . . . . . . . . . . . . . 69 3.2.7. Receptory wewnątrzkomórkowe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 4. Tkanka nabłonkowa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 4.1. Podział nabłonków . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70

4

5.

6.

7.

8.

9.

4.1.1. Struktury powierzchniowe nabłonków . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 4.1.2. Połączenia międzykomórkowe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 4.2. Gruczoły . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 4.2.1. Budowa gruczołów . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 4.2.2. Sposoby wydzielania gruczołów . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 Tkanka łączna . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76 5.1. Substancja podstawowa tkanki łącznej . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76 5.2. Włókna tkanki łącznej . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78 5.3. Tkanka łączna włóknista luźna . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82 5.3.1. Histiocyty . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82 5.3.2. Komórki tuczne (mastocyty, labrocyty) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84 5.3.3. Komórki plazmatyczne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84 5.4. Tkanka łączna włóknista zbita . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84 5.5. Tkanka łączna wyspecjalizowana . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84 5.6. Tkanka łączna szkieletowa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86 5.6.1. Tkanka chrzęstna . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86 5.6.2. Tkanka kostna . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87 5.6.2.1. Kość zbita . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88 5.6.2.2. Kość gąbczasta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89 5.6.2.3. Okostna . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89 5.6.2.4. Komórki występujące w kości . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89 5.6.2.5. Substancja międzykomórkowa kości . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91 5.6.3. Kostnienie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91 5.6.4. Modelowanie kości . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94 5.6.5. Znaczenie fizjologiczne kośćca . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95 Tkanka mięśniowa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96 6.1. Mięśnie poprzecznie prążkowane szkieletowe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96 6.2. Mięsień sercowy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104 6.3. Mięśniówka gładka . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105 6.4. Ruch komórek niemięśniowych . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107 Układ krążenia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109 7.1. Naczynia włosowate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109 7.2. Tętnice . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111 7.3. Żyły . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114 7.4. Serce . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114 7.4.1. Wsierdzie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116 7.5. Naczynia limfatyczne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116 7.6. Cytofizjologia komórek naczyniowych . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117 Układ oddechowy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118 8.1. Jama nosowa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118 8.2. Krtań . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119 8.3. Tchawica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120 8.4. Oskrzela . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120 8.5. Oskrzeliki . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122 8.6. Pęcherzyki płucne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123 8.7. Opłucna . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126 Krew obwodowa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127 9.1. Krwinki czerwone . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128 9.2. Krwinki białe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129 9.2.1. Granulocyty obojętnochłonne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130

5 9.2.2. 9.2.3. 9.2.4.

Granulocyty kwasochłonne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132 Granulocyty zasadochłonne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132 Agranulocyty . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133 9.2.4.1. Limfocyty . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133 9.2.4.2. Monocyty . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133 9.3. Płytki krwi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133 10. Szpik kostny. Rozwój krwi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135 10.1. Erytropoeza . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140 10.2. Granulopoeza . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141 10.3. Trombopoeza . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143 11. Układ limfatyczny . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144 11.1. Komórki układu limfatycznego . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144 11.2. Centralne narządy limfatyczne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147 11.2.1. Szpik kostny . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147 11.2.2. Grasica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147 11.3. Obwodowe narządy limfatyczne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148 11.3.1. Węzły chłonne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148 11.3.2. Śledziona . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150 11.3.3. Migdałki . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152 12. Odporność wrodzona . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154 12.1. Bariery tkankowe i narządowe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154 12.2. Fagocytoza . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156 12.3. Czynniki humoralne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157 12.3.1. Interferony . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157 12.3.2. Interleukina 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157 12.3.3. Interleukina 6 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157 12.3.4. Białka ostrej fazy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159 12.3.5. Interleukina 8 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159 12.3.6. Czynnik martwicy nowotworu (TNF) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159 12.4. Komórki cytotoksyczne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159 12.4.1. Komórki NK . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160 12.4.2. Granulocyty kwasochłonne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160 12.5. Układ dopełniacza . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161 12.5.1. Alternatywna droga aktywowania dopełniacza . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161 13. Odporność nabyta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164 13.1. Antygeny . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164 13.2. Odpowiedź immunologiczna humoralna . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165 13.2.1. Przeciwciała . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165 13.2.1.1. Budowa cząsteczek immunoglobulin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165 13.2.2. Genetyczne mechanizmy generowania wielkiej różnorodności przeciwciał . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168 13.2.3. Synteza immunoglobulin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172 13.2.4. Przeciwciała jako efektory odpowiedzi humoralnej . . . . . . . . . . . . . . . . . 173 13.2.5. Klasyczna droga aktywowania układu dopełniacza . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173 13.2.6. Kompleksy immunologiczne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176 13.2.7. Subpopulacje limfocytów B . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176 13.2.8. Aktywowanie limfocytów B . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176 13.3. Odpowiedź immunologiczna komórkowa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178 13.3.1. Różnicowanie limfocytów T . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178 13.3.2. Receptory limfocytów T . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179

6

14.

15.

16.

17.

18.

13.3.3. Wiązanie antygenu przez TCR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180 13.3.4. Prezentowanie antygenu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180 13.3.5. Główny układ zgodności tkankowej . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182 13.3.5.1. Cząsteczki MHC klasy I . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183 13.3.5.2. Cząsteczki MHC klasy II . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183 13.3.5.3. Geny układu MHC człowieka . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183 13.3.6. Efektory odpowiedzi komórkowej . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184 13.3.7. Cytotoksyczność komórkowa zależna od przeciwciał . . . . . . . . . . . . . . . . 186 13.4. Przebieg odpowiedzi immunologicznej . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186 Jama ustna . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188 14.1. Wargi i policzki . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188 14.2. Podniebienie i dziąsła . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188 14.3. Zęby . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189 14.3.1. Zębina . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189 14.3.2. Szkliwo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189 14.3.3. Miazga zęba . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190 14.3.4. Cement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190 14.3.5. Ozębna . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190 14.3.6. Rozwój zębów . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190 14.4. Język . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193 14.5. Ślinianki . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194 14.5.1. Ślinianki przyuszne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194 14.5.2. Ślinianki podżuchwowe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196 14.5.3. Ślinianki podjęzykowe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196 Żołądek i jelita . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197 15.1. Przełyk . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197 15.2. Żołądek . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 198 15.3. Jelito cienkie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201 15.4. Jelito grube . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204 15.5. Wyrostek robaczkowy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205 15.6. Histofizjologia jelit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205 Wątroba i trzustka . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206 16.1. Unaczynienie wątroby . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206 16.2. Budowa płacika . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 208 16.3. Hepatocyty . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209 16.4. Histofizjologia wątroby . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 210 16.5. Drogi żółciowe zewnątrzwątrobowe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212 16.6. Trzustka . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213 Układ moczowy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215 17.1. Nerka . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215 17.1.1. Nefron . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215 17.1.2. Unaczynienie nerki . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223 17.1.3. Rdzeń nerki . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223 17.1.4. Histofizjologia nerki . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 224 17.2. Drogi wyprowadzające mocz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225 17.2.1. Moczowód . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225 17.2.2. Pęcherz moczowy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225 17.2.3. Cewka moczowa męska . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 226 17.2.4. Cewka moczowa żeńska . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 226 Układ płciowy męski . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227

7

19.

20.

21.

22.

18.1. Jądro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227 18.2. Drogi wyprowadzające nasienie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232 18.2.1. Najądrze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232 18.2.2. Nasieniowód . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233 18.3. Pęcherzyki nasienne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233 18.4. Gruczoł krokowy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233 18.5. Nasienie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 234 18.6. Prącie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 234 Układ płciowy żeński . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 235 19.1. Jajnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 235 19.2. Jajowód . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 240 19.3. Macica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 241 19.4. Pochwa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243 19.5. Narządy płciowe zewnętrzne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 244 Tkanka nerwowa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 245 20.1. Neurony . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 245 20.1.1. Ciało komórki nerwowej . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 246 20.1.2. Wypustki protoplazmatyczne (dendryty) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 247 20.1.3. Wypustki osiowe (aksony, neuryty) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 247 20.1.4. Synapsa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 249 20.2. Włókna nerwowe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 249 20.2.1. Włókna mielinowe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 251 20.2.2. Włókna bezmielinowe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 252 20.3. Nerwy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 252 20.4. Przewodzenie impulsów nerwowych . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253 20.5. Glej (neuroglej) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253 20.5.1. Makroglej . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 254 20.5.2. Oligodendroglej (glej skąpowypustkowy) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 254 20.5.3. Mikroglej . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 254 20.5.4. Ependyma (wyściółka) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 254 Układ nerwowy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 256 21.1. Kora mózgu (cortex cerebri) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 257 21.2. Kora móżdżku . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 259 21.3. Rdzeń kręgowy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261 21.4. Opony ośrodkowego układu nerwowego . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261 21.4.1. Opona twarda . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261 21.4.2. Opona pajęcza . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263 21.4.3. Opona miękka . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263 Gruczoły wydzielania dokrewnego . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 264 22.1. Przysadka mózgowa (hypophysis) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 264 22.1.1. Unaczynienie przysadki . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 265 22.1.2. Część gruczołowa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 265 22.1.3. Płat tylny (neurohypophysis) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 269 22.2. Nadnercza . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 270 22.2.1. Kora . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 270 22.2.2. Rdzeń nadnerczy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 270 22.3. Tarczyca . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 271 22.4. Przytarczyce . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 273 22.5. Szyszynka . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 273 22.6. Wyspy trzustkowe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 273

8 23. Narząd wzroku . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 276 23.1. Gałka oczna . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 277 23.1.1. Twardówka . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 277 23.1.2. Rogówka . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 278 23.1.3. Błona naczyniowa gałki ocznej . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 279 23.1.4. Siatkówka . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 281 23.1.5. Soczewka (lens) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 288 23.1.6. Ciało szkliste (corpus vitreum) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 289 23.2. Narządy dodatkowe oka . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 289 23.2.1. Spojówka (tunica conjunctiva) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 289 23.2.2. Powieka . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 289 23.2.3. Narząd łzowy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 289 24. Narząd słuchu i równowagi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 290 24.1. Ucho zewnętrzne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 290 24.2. Ucho środkowe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 290 24.2.1. Błona bębenkowa (membrana tympani) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 290 24.2.2. Jama bębenkowa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 292 24.2.3. Trąbka słuchowa (Eustachiusza) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 292 24.2.4. Funkcja ucha środkowego . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 292 24.3. Ucho wewnętrzne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 292 24.3.1. Błędnik kostny . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 293 24.3.2. Błędnik błoniasty . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 293 24.3.3. Ślimak (cochlea) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 293 24.4. Narząd równowagi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 296 25. Skóra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 299 25.1. Naskórek . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 299 25.2. Komórki nienabłonkowe naskórka . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 302 25.2.1. Melanocyty . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 302 25.2.2. Pająkowate jasne komórki naskórka (Langerhansa) . . . . . . . . . . . . . . . . 304 25.2.3. Komórki Merkela . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 304 25.3. Skóra właściwa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 304 25.3.1. Warstwa brodawkowata . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 304 25.3.2. Warstwa siateczkowa (stratum reticulare) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 305 25.3.3. Tkanka podskórna (tela subcutanea, hypodermis) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 305 25.4. Przydatki skóry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 305 25.4.1. Włosy (pili) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 305 25.4.2. Cykl włosowy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 307 25.4.3. Gruczoły łojowe (glandulae sebaceae) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 308 25.4.4. Gruczoły potowe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 308 25.4.5. Paznokieć . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 309 25.5. Gruczoł mlekowy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 309 25.5.1. Okres spoczynku . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 309 25.5.2. Okres ciąży . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 311 25.5.3. Okres karmienia (laktacji) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 312 SKOROWIDZ ................................................................................................................................. 313 PIŚMIENNICTWO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 327

PRZEDMOWA Nowe wydanie skryptu, już VIII, różni się od poprzednich dość istotnie. Przede wszystkim przygotowane zostało w formie elektronicznej. Dało to możliwość znacznego zwiększenia liczby kolorowych rycin, z czego w pełni skorzystano. Część rozdziałów została uzupełniona przez krótsze lub dłuższe teksty. Autor skryptu musiał, tak jak i przy uzupełnianiu poprzednich wydań, walczyć z pokusą wprowadzenia większej ilości nowych informacji w związku z postępem w zakresie wiedzy, którą obejmuje skrypt. Jednak świadomość tego, że już obecnie skrypt zawiera bardzo wiele informacji zupełnie nowych dla absolwenta szkoły średniej powoduje, że dodano informacje naprawdę ważne z punktu widzenia medycyny a więc potrzebne przyszłym lekarzom. Ponieważ forma elektroniczna nie zastępuje w pełni fromy drukowanej przez zmienione warunki korzystania, czynione są starania o zgodę Władz Uczelni na druk tego skryptu, jednak z rycinami czarno-białymi. Brak kolorów wynika z kosztów druku rycin kolorowych, co mogłoby znacznie podnieść cenę egzemplarza skryptu. Po analizie kosztów być może uda się niektóre ryciny pozostawić w kolorze. Skrypt z założenia jest formą skrótowego przedstawienia wiedzy w zakresie bardzo obszernych przedmiotów, jednak wiedza ta jest wystarczająca jako wprowadzenie do wykładów i ćwiczeń. Natomiast nie ma ich zastępować. Wykłady dają możliwość prowadzącemu je, na uzupełnienie wiedzy, której nie zawiera skrypt z racji swojej zwięzłości. Skrypt nie zawiera mikrofotografii preparatów histologicznych, natomiast zawiera je „Atlas histologiczny”, naszego autorstwa, dostępny po promocyjnej cenie. Pomyślany został jako suplement do skryptu, z którym łącznie, stanowi niezbędny materiał dla właściwego przygotowania do ćwiczeń a na koniec kursu do egzaminu praktycznego i pisemnego. Przygotowanie skryptu, zarówno formy elektronicznej jak i drukowanej nie byłoby możliwe bez opracowania komputerowego. Dokonał tego z pełną profesjonalną kompetencją oraz z ogromnym zaangażowaniem, tak jak i przy opracowaniu poprzednich wydań mgr Tadeusz Skowyra. Przy tej okazji wyrażam mu serdeczne podziękowanie. Dziękuję również całemu zespołowi Działu Wydawnictw za druk skryptu. To, że skrypt jak dotąd miał duże powodzenie to i Państwa zasługa. Autor

10

Niektóre ze skrótów stosowanych w skrypcie: MŚ ME AG APC KKM ER RER SER MALT gr. ang.

– – – – – – – – – – –

mikroskop świetlny mikroskop elektronowy aparat Golgiego komórka prezentująca antygeny krwiotwórcza komórka macierzysta siateczka śródplazmatyczna siateczka śródplazmatyczna szorstka siateczka śródplazmatyczna gładka

w języku greckim w języku angielskim

KOM”RKA. B£ONY KOM”RKOWE

1

Komórka stanowi najmniejszą, zorganizowaną jednostkę żywej materii: – jest zdolna do niezależnego istnienia w nieożywionej materii stanowiącej jej środowisko i może wymieniać z nim substancje, – w razie potrzeby syntetyzuje nowe składniki ze związków pochodzących z otoczenia. W sensie termodynamicznym jest układem otwartym tzn. może ona z otoczeniem wymieniać materię i energię. Natomiast w sensie cybernetycznym jest homeostatem ponieważ potrafi utrzymać homeostazę, czyli równowagę funkcjonalną nawet w niesprzyjających warunkach. Właściwości funkcjonalne komórki wynikają z jej struktury. Zasadniczym składnikiem każdej komórki, który zapewnia ww. cechy jest błona komórkowa oddzielająca wnętrze komórki – cytoplazmę od środowiska zewnętrznego. Zasadnicze składniki strukturalne pierwotnych organizmów jednokomórkowych to błona komórkowa i cytoplazma. Organizmy wyższe – wielokomórkowe, w tym ssaki, zbudowane są z komórek o bardziej skomplikowanej budowie. W przeciwieństwie do poprzednich posiadają one jądro komórkowe. Obecność lub brak jądra komórkowego decyduje o tym czy komórkę zaliczamy do prokariotycznych (brak) czy też do eukariotycznych (posiadanie jądra). Eukariogeneza. Obecność lub brak jądra komórkowego jest zasadniczą ale nie jedyną różnicą pomiędzy komórkami prokaryota i eukaryota. Komórki prokariotyczne do których należą: bakterie pierwotne, bakterie właściwe i sinice, nie posiadają błon wewnątrzkomórkowych i mitochondriów, ich rybosomy są mniejsze (70S) a cząsteczki DNA są koliste. Mają one wysokie tempo metabolizmu oraz krótki czas życia osobników, który w znacznym stopniu uzależniony jest od warunków środowiska. Nie zostało ostatecznie ustalone, czy komórki eukariotyczne rozwinęły się (eukariogeneza) z wcześniej istniejących komórek prokariotycznych czy też ich rozwój z pierwotnych form życia (protobionty) był równoległy. Jednak przyjmuje się za bardzo prawdopodobne, że przynajmniej niektóre organella (mitochondria, chloroplasty) komórek eukariotycznych są efektem wniknięcia do nich komórek prokariotycznych, co doprowadziło do endosymbiozy. Przez to organella te można określać jako ksenosomy. Wprawdzie zasadniczym, z punktu widzenia funkcji, składnikiem komórki jest jej błona (plazmolema), jednak inne struktury błoniaste, wewnątrzcytoplazmatyczne, odgrywają bardzo ważną rolę w funkcjonowaniu tych komórek. Obecność błon wewnątrzcytoplazmatycznych powoduje, że wnętrze komórki ulega podziałowi na przedziały – kompartmenty. Różnią się one składem chemicznym, a przez to i przebiegiem procesów chemicznych, które w nich zachodzą. To zróżnicowanie wnętrza komórki, pozwalające

Rozdział 1

12

na bardziej efektywną regulację skomplikowanych procesów chemicznych możliwe jest właśnie dzięki obecności błon wewnątrzkomórkowych. Ultrastruktura. Obserwacje czynione przy pomocy mikroskopu świetlnego (MŚ) dostarczyły dość ograniczonej ilości informacji jeśli chodzi o budowę komórek zwierzęcych, chociaż znacznie się przyczyniły do wyjaśnienia budowy tkanek i narządów. Dopiero rozwój techniki oglądania preparatów komórek w mikroskopie elektronowym (ME) pozwolił wyjaśnić budowę wewnętrzną, czyli ultrastrukturę komórek. Technika ta, oparta na oglądaniu ultracienkich skrawków w ME, wymaga wysokiej próżni, co powoduje, że przygotowanie materiału biologicznego przeprowadzane jest w specyficzny sposób. W rezultacie oglądamy struktury komórki, które uwidaczniają się dzięki osadzaniu się na nich osmu, ponieważ najczęściej do tzw. utrwalania i barwienia używa się OsO4.Chociaż początkowo istniały wątpliwości czy to co oglądamy w ME i na elektronogramach istnieje w żywej komórce, to póżniej różnymi metodami m.in. techniką mrożenia–łamania (freeze–etching) udało się wykazać, że uzyskiwany obraz w dużym stopniu odpowiada temu co rzeczywiście istnieje in vivo. Oglądając elektronogramy należy pamiętać, że przedstawiają one przekrój poprzeczny przez komórkę, przez co błony widzimy jako linie, natomiast włókienka szczególnie cienkie, jako ziarenka. Tak więc np. ziarenko widoczne na elektronogramie może istotnie być obrazem ziarenka, ale także przekrojem przez włókienko.

pierwotniak siateczka wewnątrzplazmatyczna

otoczka jądrowa blaszka jądrowa por chromatyna

wolny rybosom centriole mikrotubule centrosom

jąderko jądro

komórka zwierzęca

komórka roślinna

kora lizosom peroksysom

mikrokosmek coated pit

mitochondrium AG mikrotubule

pleśnie eubakterie

wczesny endosom błona komórkowa włókno aktynowe

drożdże

Ryc. 1.1. Budowa komórek eukariotycznych.

archeobakterie

Komórka. Błony komórkowe

13

Komórka eukariotyczna zawiera następujące przedziały: 1. macierz cytoplazmy (hialoplazma, cytosol) 2. wnętrze cystern siateczki endoplazmatycznej szorstkiej i gładkiej, wnętrze wakuoli, przestrzeń okołojądrowa (interfaza) 3. wnętrze jądra komórkowego (interfaza) 4. przestrzenie mitochondrialne: zewnętrzna (międzybłonowa) i wewnętrzna (macierz, matrix).

1.1. MACIERZ CYTOPLAZMY Macierz cytoplazmy jest to faza wodna komórki. W niej zawieszone są różne podstawowe składniki: białka, tłuszcze, węglowodany, substancje drobnocząsteczkowe, jony oraz składniki cytoszkieletu. Wypełnia ona przestrzeń ograniczoną z jednej strony przez błonę komórkową (plazmolemę) a z drugiej przez błony wewnatrzcytoplazmatyczne, które to błony, tworząc ściany cystern, kanalików i wakuoli, stanowią barierę pomiędzy macierzą a przestrzenią zawartą wewnątrz tych struktur. Wyróżniamy w macierzy cytoplazmy: ektoplazmę i endoplazmę (bardziej płynna). Objętościowo stanowi ona największy składnik komórki. W MŚ i ME jest homogenna i amorficzna, a najistotniejsze informacje o jej składzie pochodzą z badań biochemicznych. Zasadniczy organiczny składnik macierzy to białka: – strukturalne, z których powstać mogą różnego rodzaju mikrofilamenty i mikrotubule (cytoszkielet); – enzymatyczne np. biorące udział w procesie glikolizy, beztlenowej przemiany węglowodanów, w wyniku której powstaje ATP. Macierz cytoplazmy jest koloidem wielofazowym, a istotną rolę w utrzymaniu się cząsteczek w zawiesinie odgrywa ich ładunek elektryczny. Macierz cytoplazmatyczna może w sposób określony przechodzić z zolu w żel, można to wywołać czynnikami fizycznymi tj. zmiany ciśnienia, temperatury, odczynu środowiska. Jak wykazały badania, macierz cytoplazmatyczna, mimo amorficzności, jest skomplikowaną strukturalnie, na poziomie makromolekularnym, komponentą komórkową, w której przebiegają istotne procesy życiowe.

1.2. B£ONA KOM”RKOWA Macierz cytoplazmy od środowiska pozakomórkowego oddziela błona komórkowa. O istnieniu błony komórkowej, w początkowych okresach badań cytologicznych, sądzono nie tyle na podstawie obserwacji mikroskopowych (jej grubość jest poniżej zdolności rozdzielczej MŚ), ile wynikało to z badań cytofizjologicznych np. zachowania się komórki w roztworach soli o różnym stężeniu. Dopiero badania w ME z zastosowaniem utrwalania w OsO4 potwierdziły istnienie błony komórkowej, jak i błon wewnątrzkomórkowych. Błony widoczne są na przekroju w ME, na dużych powiększeniach, w postaci dwóch ciemnych linii przedzielonych jasną, przy czym grubość całej błony wynosi 7,5–10 nm. Obraz taki potwierdza przyjmowaną już wcześniej strukturę wewnętrzną błony. W oparciu

Rozdział 1

14

o badania chemiczne i cytofizjologiczne, stwierdzono najpierw, że zasadniczym składnikiem błony są lipidy, a póżniej, że towarzyszą im białka (ryc. 1.2). Powyższe badania potwierdziły, że zasadniczą strukturą decydującą o ciągłości błon komórkowych jest dwumolekularna błona lipidowa. Lipidy błony to: fosfolipidy, lipidy obojętne, glikolipidy. Fosfolipidy mają charakter amfipatyczny, ich cząstki mają biegun: hydrofilny – polarny, hydrofobowy – apolarny. Fosfolipidy mają naturalną zdolność do tworzenia błon. Cząsteczki lipidów w bło-

1

2

A

4 3 5

B 1 4

5 2 3 Ryc. 1.1. Błona komórkowa. A – rysunek przedstawia obraz błony komórkowej uzyskany techniką mrożenia – rytowania (freeze– etching); 1 – cząsteczki białek błonowych, 2 – dołki na stronie E powstałe po odłączeniu blaszki zewnętrznej (4) od blaszki cytoplazmatycznej (3) błony komórkowej, 5 – dwuwarstwa lipidowa przez którą następuje pęknięcie błony komórkowej odsłaniające powierzchnię E i P. B – model budowy błony komórkowej wg Singer’a i Nicolsona (1979); 1 – dwuwarstwa lipidowa, 2 – grupy hydrofobowe lipidów, 3 – grupy hydrofilowe lipidów, 4 – cząsteczki białek integralnych, 5 – cząsteczki białek powierzchniowych.

Komórka. Błony komórkowe

15

nie mogą ulegać dyfuzji bocznej, czyli przemieszczaniu w płaszczyźnie błony, natomiast przemieszczanie w poprzek błony jest znacznie utrudnione. Konsekwencją tego jest obserwowana asymetria warstw lipidowych w błonach, jeśli chodzi o skład lipidów. Wiele informacji dotyczących błony komórkowej, a szczególnie jej białek, uzyskano badając błony erytrocytów, w postaci tzw. „cieni erytrocytów”. Białka nie tworzą, jak początkowo przypuszczano, ciągłej warstwy. Mogą one jedynie kontaktować się z lipidami błon – białka powierzchniowe, lub w mniejszym lub w większym stopniu zanurzać w lipidach błony – białka integralne. Przy tym mogą wiązać się z lipidami od strony zewnętrznej (ektobiałka) lub cytoplazmatycznej (endobiałka), mogą też przebiegać w poprzek błony kontaktując się z jednej strony z cytoplazmą, a z drugiej z otoczeniem komórki i określane są jako tzw. białka poprzeczne (ryc. 1.2B). Białka integralne mogą być tworzone przez jeden lub wiecej łańcuchów polipeptydowych. Część łańcucha przenikająca dwuwartwę lipidową błony tworzona jest przez co najmniej 22 reszty aminokwasów hydrofobowych. Jeśli łańcuch polipeptydowy ma kilka takich sekwencji to może kilkakrotnie przenikać przez błonę. W ten sposób zbudowane są kanały oraz niektóre receptory błonowe. Białka mogą przemieszczać się w płaszczyźnie błon, jednak ruchy te mogą być utrudnione, szczególnie w odniesieniu do białek poprzecznych, gdyż białka te związane są zwykle z cytoszkieletem. Istnienie przemieszczania białek błonowych wykazano przez obserwcje żywych komórek, których powierzchnia została wyznakowana przy pomocy przeciwciał przeciw białkom błonowym. Obserwowano zmiany skupienia tych białek, tworzenie „plamek” i „czapeczek”. Białka błonowe odgrywają bardzo istotną rolę w funkcjonowaniu błony a przez to i funkcji komórki. Biorą one udział w wymianie z otoczeniem komórki, poprzez transport w poprzek błony. Rodzaje transportu przez błonę komórkową. Transport: – prosty (dyfuzja); – ułatwiony (nośnik – białko, bez wydatku energi metabolicznej) zgodnie z gradientem stężeń; – aktywny (zużycie energii) wbrew gradientowi. transportowane cząsteczki przenośniki (ten po prawej jest właściwie pompą)

kanał dwuwarstwa lipidowa

gradient stężeń EN

dyfuzja prosta

poprzez kanał

ER

G

poprzez przenośnik

TRANSPORT BIERNY

IA

TRANSPORT AKTYWNY

Ryc. 1.3. Porównanie transportu biernego i aktywnego

Rozdział 1

16 cząsteczka transportowana

jon współtransportowany

dwuwarstwa lipidowa jon współtransportowany UNIPORT

SYMPORT

ANTYPORT

TRANSPORT SPRZĘŻONY Ryc. 1.4. Trzy typy transportu prowadzonego przez przenośniki.

Na+ miejsce wiązania K+ i strofantyny gradient elektrochemiczny K+

gradient elektrochemiczny Na+ CYTOZOL miejsce wiązania Na+ ATP

ADP + Pi K+

Ryc. 1.5. Pompa Na+-K+.

Zasadnicze znaczenie czynnościowe ma transport aktywny. Przykładem jest tzw. pompa sodowo-potasowa. Rolę tej „pompy” pełni enzymatyczne białko błonowe – ATP–aza zależna od Na+ i K+, a „napędza” tę pompę energia zawarta w ATP. Transport aktywny jonów wraz z kanałami jonowymi decyduje o stężeniu jonów w cytoplazmie i bezpośrednim otoczeniu komórki – dlatego odgrywa on zasadniczą rolę w komórkowych zjawiskach bioelektrycznych. Białka błonowe wchodzą w skład receptorów komórkowych (patrz rozdz. 3), które odbierają „sygnały” docierające do komórki ze środowiska w formie ligandów wiążących się z receptorami. Powstanie kompleksu „ligand–receptor” zapoczątkowuje cały szereg procesów komórkowych. Ligandami mogą byc różne substancje, w tym hormony. Recep-

Komórka. Błony komórkowe

17

torowe białka błony odgrywają bardzo ważną rolę w zjawiskach immunologicznych oraz w kontaktach międzykomórkowych. Białka tworzące receptory najczęściej występują w związku z węglowodanami. Również w powiązaniu z węglowodanami białka błonowe decydują o tzw. antygenowości błony komórkowej, wyznaczają więc „swoistość” czynnościową i tkankową komórki. Węglowodany błony to najczęściej oligosacharydy związane kowalencyjnie z białkami (glikoproteidy) lub lipidami (glikolipidy) błony, przy czym większość białek błony jest związana z oligosacharydami, podczas gdy mniej niż 1/10 cząstek lipidów wiąże reszty cukrowe. Ponadto jeden glikoproteid może mieć kilka łańcuchów oligosacharydowych. Jak wspomniano warstwy lipidów tworzących błonę różnią się od siebie składem. Podobnie białka po stronie zewnętrznej różnią się od tych po stronie cytoplazmatycznej. Tak więc błona komórkowa jest asymetryczna, a jej asymetryczność jeszcze bardziej podkreśla obecność oligosacharydów jedynie na zewnętrzej stronie błony. Tworzą one na powierzchni komórki otoczkę nazywaną glikokaliksem. Oligosacharydy tworzące glikokaliks zawierają najczęściej następujące monosacharydy: galaktozę, mannozę, fruktozę, galaktozaminę, glikozaminę, glukozę i kwas sialowy, który zwykle znajduje się na końcu łańcucha oligosacharydu i przez to warunkuje ładunek ujemny powierzchni komórki. Dla funkcji wielu rodzajów komórek zasadnicze znaczenie ma stały lub przejściowy kontakt z innymi komórkami, oraz składnikami substancji międzykomórkowej. Uczestniczą w tym obecne na powierzchni komórek cząsteczki zwane adhezyjnymi. mucyna CD43 P-selektyna CD62P integryna αL β2 (LFA-1)

CD11a/CD18

E-kadheryna

rodzina immunoglobulin: ICAM-1

CD54

Ryc. 1.6. Budowa głównych rodzajów białek adhezyjnych.

Rodzaje cząsteczek adhezyjnych (tabela 1.1): – kadheryny, – integryny – cząsteczki należące do nadrodziny immunoglobulin – selektyny

Charakter chemiczny glikoproteina wiążąca Ca2+

heterodimer – glikoproteina

immunoglobulina, wiązanie uzależnione od obecności kationów dwuwartościowych (Ca2+, Mg2+) glikoproteina

Lokalizacja

na powierzchni komórek nabłonkowych, nerwowych, m. sercowego

na powierzchni leukocytów, płytek krwi, komórek śródbłonka

komórki nerwowe, limfocyty, komórki śródbłonka, monocyty, granulocyty

leukocyty, komórki śródbłonka HEV płytki krwi

Rodzaj

kadheryny L–CAM N–CAM

integryny VLA LFA–1 VNR

cząsteczki należące do nadrodziny immunoglobulin ICAM

selektyny LECAM ELAM LAM–1

Tabela 1.1. Cząsteczki adhezyjne

recyrkulacja limfocytów: przechodzenie limfocytów przez ścianę naczynia (HEV); receptory zasiedlania na limfocytach, adresyny naczyniowe (HEV)

wiązanie się homotypowe i heterotypowe komórek; wiązanie wirusów z powierzchnią komórek; przechodzenie leukocytów przez ścianę naczynia

wiązanie się komórek z glikoproteinami podłoża (fibronektyna, laminina), przyleganie leukocytów do powierzchni komórek śródbłonka; przechodzenie leukocyta przez ścianę naczynia; tworzenie przerzutów nowotworowych

wiązanie komórek nabłonka (z. adherens), związane z procesem morfogenezy

Znaczenie czynnościowe

18 Rozdział 1

Komórka. Błony komórkowe

19

domena wiążąca substancję międzykomórkową

α łańcuch

β łańcuch

strona zewnątrzkomórkowa

cytoplazma talina winkulin

czapeczka białkowa

F aktyna

Ryc. 1.7. Receptor integrynowy dla substancji międzykomórkowej.

1.3. SIATECZKA åR”DPLAZMATYCZNA Siateczka śródplazmatyczna (endoplazmatyczne reticulum – ER) to system błon tworzących na terenie cytoplazmy spłaszczone cysterny i kanaliki. Błony ER oddzielają więc dwa kompartmenty (przedziały) komórkowe: macierz cytoplazmy i wnętrze ER, które to wnętrze stanowić może nawet ponad 10% objętości komórki. Na podstawie obserwacji w ME rozróżnia się: – siateczkę śródplazmatyczną szorstką (RER) – ang. rough endoplasmic reticulum) – siateczkę śródplazmatyczną gładką (SER) – ang. smooth endoplasmic reticulum) Określenie „szorstka” pochodzi od widocznych w ME rybosomów na cytoplazmatycznej (od strony macierzy) powierzchni błon ER. W istocie są to zespoły rybosomów – polisomy, aktualnie zaangażowane w produkcję białek, które to białka jeszcze w trakcie syntezy trafiają do wnętrza cystern ER. Wiązanie się polisomu z błoną RER odbywa się w ten sposób, że do początkowej sekwencji łańcucha polipeptydowego zwanej sekwencją sygnałową przyłącza się kompleks białkowo – rybonukleinowy (SRP – ang. signal recognizing particle). Związanie SRP powoduje zahamowanie wydłużania się łańcucha polipeptydowe-

Rozdział 1

20

go do momentu związania się tego kompleksu z receptorem na błonie RER. Obecność tego receptora zwanego białkiem dokującym odróżnia błony RER od innych błon ER. Błony te wyróżnia również obecność glikoprotein zwanych ryboforyną I i II, wiążących dużą podjednostkę. Związanie podjednostki rybosomu poprzez ryboforyny warunkuje dłuższy związek rybosomu z błoną gdyż SRP dość szybko odłącza się od białka dokującego. Sekwencja sygnałowa (hydrofobowa) wnika w błonę pociągając za sobą dalsze (hydrofilowe) części łańcucha. Następnie sekwencja sygnałowa ulega odcięciu (peptydaza sygnałowa) a wnikanie łańcucha polipeptydowego do wnętrza RER jest kontynuowane aż do zakończenia procesu translacji. W ten sposób mają być syntetyzowane białka, które zostają wydalone z komórki drogą sekrecji. Białka przeznaczone dla macierzy cytoplazmatycznej mają być syntetyzowane przez polisomy nie związane z błonami. Tak więc obecność błon RER wskazuje, że komórka produkuje wydzielinę białkową, a szczególnie duże nagromadzenie tych błon widać w komórkach gruczołowych (wątroba, gruczoł zewnątrzwydzielniczy trzustki). Obszary cytoplazmy zawierające duże nagromadzenie błon RER nazwano ergastoplazmą (od greckiego słowa ergon – praca). O ile błony RER tworzą najczęściej spłaszczone cysterny to błony SER tworzą cewki, przy czym jedne i drugie często tworzą złożone układy przestrzenne. RER znacznie częściej występuje w komórkach niż SER, a ich funkcja w komórce jest zasadniczo różna, chociaż wszystkie błony ER (zarówno R jak i S) zawierają enzymy związane z syntezą trójglicerydów, fosfolipidów i cholesterolu, oraz enzymy (cytochrom P–450) powodujące utlenianie niektórych substratów, w tym leków. ER uczestniczy, szczególnie jako SER, w różnego rodzaju procesach detoksykacyjnych, a w warunkach nagromadzenia w organizmie substancji toksycznych może ulegać znacznemu rozbudowaniu. Na obszarze całej ER można wykazać obecność enzymu glukozo–6–fosfa-

Tabela 1.2. Enzymy markerowe organelli komórkowych Organellum

Enzym

Błona komórkowa

Na+, K+–ATPaza

Błony siateczki śródplazmatycznej

glukozo–6–fosfataza

Macierz cytoplazmy

dehydrogenaza glukozo–6–fosforanowa

Zewnętrzna błona mitochondrium

oksydaza monoaminowa (MAO)

Przestrzeń międzybłonowa

kinaza adenylanowa

Wewnętrzna błona mitochondrium

oksydaza cytochromu c

Macierz mitochondrium

syntaza cytrynianowa

Lizosomy

kwaśna fosfataza

Aparat Golgiego

transferaza acetylglukozaminylowa

Peroksysomy

oksydaza D–aminokwasowa

Komórka. Błony komórkowe

21

tazy, uczestniczącego w metabolizmie węglowodanów (markerx). W niektórych rodzajach komórek SER jest wyspecjalizowana, np. w komórkach mięśni szkieletowych specjalizacja ta dotyczy transportu i gromadzenia jonów wapnia a 80% białek enzymatycznych tej błony to ATP–aza związana z tym właśnie transportem. Natomiast w komórkach gruczołów wydzielających hormony steroidowe, rozbudowana SER zaangażowana jest w produkcję tych związków. RER i SER różnią się więc morfologicznie i czynnościowo, mają z sobą jedak ścisły związek „genetyczny” tzn. z RER powstaje SER, oraz czynnościowy, mogą one nawet wykazywać ciągłość błon i wewnętrznych przestrzeni (wątroba).

1.4. APARAT GOLGIEGO Również z błon, określanych jako gładkie, zbudowany jest aparat Golgiego (AG), którego elementem strukturalnym jest diktiosom (od sł. gr. diktyon – sieć). Złożony jest on z 5–8 spłaszczonych cystern (ryc. 1.8). Na przekroju w ME widoczny jest jako twór półksiężycowy, w którym wyróżnia się: – po stronie wypukłej (dojądrowej) biegun bliższy czyli powierzchnię formowania (cis) – po stronie wklęsłej, biegun dalszy czyli powierzchnię dojrzewania (trans). W pobliżu bieguna bliższego widać pęcherzyki transportujące (10–15 nm, z RER), a w pobliżu bieguna dalszego wakuole zagęszczające (śred. 500–3.000 nm) oraz pęcherzyki okryte.

1 2 3

4 5 6 Ryc. 1.8. Aparat Golgiego. 1 – siateczka śródylazmatyczna szorstka, 2 – pęcherzyki transportujące, 3 – cysterny, 4, 5 – wakuole zagęszczające, 6 – ziarna wydzieliny. x)

Markerem nazywamy taką substancję, najczęściej enzym, który jest charakterystyczny dla danej struktury, czy też funkcji komórkowej, np. markerem lizosomów jest fosfataza kwaśna.

Rozdział 1

22

Błony tworzące AG pod względem struktury i składu chemicznego stanowią formę pośrednią pomiędzy RER i błoną komórkową, przy czym na biegunie bliższym przypominają RER a na biegunie dalszym błonę komórkową. Podobnie aktywność enzymów związanych z błonami AG wykazuje podobne zróżnicowanie, od bieguna bliższego do dalszego(G–6–P–aza → TPP–aza → transferazy glikozylowe 5'–nukleotydaza). Obser-

10

9

8 7

4

3 3

2

2 1

Ryc. 1.9. Komórka wydzielnicza. 1 – naczynie włosowate, 2 – pęcherzyki pinocytarne, 3 – cysterna RER, 4 –pęcherzyki transportujące, 5 – aparat Golgiego, 6 – pęcherzyki wydzielnicze, 7 – wakuole wydzielnicze, 8 – pęcherzyki zagęszczające, 9 – ziarna wydzieliny, 10 – egzocytoza.

Komórka. Błony komórkowe

23

wacje te stanowiły podstawę do stwierdzenia zjawiska określanego jako przepływ błon, od bieguna bliższego do bieguna dalszego, szczególnie nasilonego w komórkach wydzielniczych. Zjawisko to jest na obszarze AG ściśle sprzężone z procesami przekształcania, dojrzewania wydzieliny, która powstała w RER (białko) a ostatecznie zostaje drogą egzocytozy wydalona poza komórkę. Przekształcenie wydzieliny polega, mówiąc ogólnie, na dołączeniu do białek węglowodanów (transferazy glikozylowe) oraz jej zagęszczeniu. Tak więc „dojrzała” wydzielina „opakowana” w błonę zbliżoną charakterem do błony komórkowej, zostaje wydzielona drogą egzocytozy, a błona otaczająca wydzielinę zostaje wbudowana w błonę komórkową.

1.4.1. EGZOCYTOZA Egzocytoza to końcowy etap procesu produkcji (RER) i „dojrzewania” (AG) wydzieliny. Zachodzi ona w kilku etapach. Pierwszy to zbliżanie się wakuoli lub ziarna z wydzieliną do błony komórkowej. W procesie tym odgrywa rolę cytoszkielet i jony wapnia, konieczna jest energia (ATP). Następny etap to fuzja błony wakuoli z błoną komórkową w czym istotną rolę odgrywają również jony wapnia. Po złączeniu się obu błon (warstwy lipidowe) dochodzi niemal automatycznie, pod wpływem sił napięcia powierzchniowego, do otworzenia się wnętrza wakuoli do środowiska pozakomórkowego. Proces tworzenia się wydzieliny (w RER), jej „dojrzewania” (w AG) oraz wydzielania na zewnątrz komórki drogą egzocytozy nazywamy sekrecją (ryc. 1.9). Proces endocytozy i egzocytozy razem wchodzą w skład procesu recyrkulacji błon określanego również terminem przepływu błon. Błona otaczająca np. wakuolę wydzielniczą wbudowuje się w trakcie egzocytozy w błonę komórkową, aby następnie jako pęcherzyk endosomalny połączyć się z błoną organellum np. lizosomu, AG.

1.5. UK£AD LIZOSOMALNY Strukturą komórkową ściśle związaną z AG są lizosomy, będące zasadniczym składnikiem układu zwanego lizosomalnym (ryc. 1.10). Związek lizosomów z AG ma charakter generatywny. AG wytwarza lizosomy pierwotne, przy czym enzymy zawarte w nich powstają w RER. Segregacja enzymów przeznaczonych dla lizosomów na terenie AG odbywa się poprzez ich „wyznakowanie” drogą fosforylacji reszt mannozowych oligosacharydów, które wcześniej zostały dołączone do tych białek enzymatycznych. Dokonuje się to po stronie „cis” AG, gdzie zlokalizowane są swoiste enzymy związane z procesem fosforylacji reszt mannozowych. Natomiast właściwa segregacja enzymów lizosomalnych odbywa się po stronie „trans” gdzie w błonach AG zlokalizowane są receptory dla wyznakowanych mannozo–6–fosforanem enzymów lizosomalnych i gdzie tworzone są pęcherzyki lizosomów pierwotnych. Lizosomy to zwykle twory kuliste o średnicy około 0,5 µm, otoczone pojedyńczą błoną, która obejmuje elektronowo gęsty rdzeń zawierający, jak wykazano, cały szereg enzymów hydrolitycznych (znanych jest około 40): proteazy, nukleazy, glikozydazy, lipazy, fosfolipazy, fosfatazy i sulfatazy. Wszystkie one są kwaśnymi hydrolazami, gdyż optymalna

24

Rozdział 1

aktywność osiągana jest przy pH = 5 (wewnątrz tego organellum). Niskie pH wewnątrz lizosomu osiągane jest dzięki kompleksowi enzymatycznemu określanemu jako pompa protonowa zależna od ATP, który to kompleks zlokalizowany jest w błonie lizosomu. Lizosomy wykazują dużą heterogenność pod względem wielkości i kształtu, szczególnie lizosomy wtórne, które w przeciwieństwie do pierwotnych zawierają nie tylko enzymy ale również substraty, na które te enzymy działają. Lizosomy wtórne powstają z lizosomów pierwotnych. Aby wyjaśnić jak do tego dochodzi, należy wyjaśnić proces endocytozy.

Ryc. 1.4. Uklad lizosomalny komórki. 1– cysterny RER, 2 – aparat Golgiego, 3 – lizosomy pierwotne, 4 – egzocytoza zawartości lizosomów, 5 – fagocytoza bakterii, 5a, b – fagolizosomy, 6 – lizosom wtórny, 7 – ciałko resztkowe, 8 – egzocytoza zawartości ciałka resztkowego, 9 – telolizosom (ziarno lipofuscynowe), 10 – pinocytoza, 10a – łączenie się lizosomów pierwotnych ( ) z fagosomem utworzonym przez pęcherzyki pinocytarne, 11 – segregacja części cytoplazmy, 11a – autofagosom łączący się z lizosomem ( ), 12 – pęcherzyki z wydzieliną, 12a – segregacja nadmiaru pęcherzyków wydzielniczych, 12b – lizosom wtórny trawiący wydzielinę.

Komórka. Błony komórkowe

25

1.5.1. ENDOCYTOZA Endocytoza może zachodzić jako endocytoza płynnej fazy (pinocytoza), mająca charakter nieselektywny; powstałe w jej trakcie endosomy łączą się z lizosomami pierwotnymi tworząc w ten sposób lizosomy wtórne (ryc. 1.10). Endocytoza adsorbcyjna ma natomiast charakter selektywny i biorą w niej udział obecne na powierzchni komórki swoiste receptory. Aby jednak kompleks substancji zaadsorbowanej i receptora mógł ulec endocytozie potrzebna jest po stronie cytoplazmatycznej błony komórkowej obecność białka klatryny. Jest to białko włókniste tworzące cząsteczkę mającą kształt trójramiennej gwiazdy, cząsteczki te łącząc się ze sobą tworzą na cytoplazmatycznej powierzchni endosomu jakby siateczkę. Aby jednak klatryna mogła połączyć się w błoną komórkową potrzebna jest obecność białek adaptorowych wiążących cząsteczki klatryny z błoną. W ME takie endosomy widoczne są jako pęcherzyki okryte. Jak wykazano klatryna odgrywa rolę w większości procesów odpączkowywania od błon pęcherzyków, tak jak np. tworzenie lizosomów pierwotnych z cystern AG. Po odpączkowaniu pęcherzyka klatryna zwykle odłącza się od niego.

1.5.2. FUNKCJA UK£ADU LIZOSOMALNEGO Obecność enzymów hydrolitycznych w lizosomach wskazuje, że biorą one udział w procesach trawienia różnych substancji chemicznych takich jak białka, węglowodany, lipidy i kwasy nukleinowe. Są więc one w stanie strawić wszystkie składniki komórki. Gdy trawienie to zachodzi w lizosomach wtórnych powstających przez połączenie się lizosomów pierwotnych z endosomami, mówimy o tzw. heterofagii, trawieniu substancji pozakomórkowych. Jeśli lizosomy wtórne trawią własne składniki komórki mówimy o auto-

A. tworzenie

B. zamknięcie

C. połączenie z lizosomem

D. ciałka rzęskowe Ryc. 1.11. Proces autofagii.

Rozdział 1

26

fagii. Głównie celem heterofagii jak i autofagii jest usuwanie zbędnych, czy nawet szkodliwych dla organizmu substancji. W niektórych rodzajach komórek układ lizosomalny jest szczególnie rozbudowany. Należą do nich makrofagi, komórki należące do układu immunologicznego. Wprawdzie w czasie trawienia powstają proste związki chemiczne, które mogą być wykorzystywane przez komórkę, jednak celem trawienia przez układ lizosomalny w komórkach organizmów wyższych, w przeciwieństwie do pierwotniaków, nie jest odżywianie komórki. Jeśli trawione substancje zostaną całkowicie strawione, a powstałe związki proste przejdą przez błonę lizosomalną do macierzy cytoplazmy, lizosom może ponownie połączyć się z endosomem. Natomiast, jeśli trawienie nie jest kompletne dochodzi do gromadzenia się w lizosomie wtórnym niestrawionych substancji i powstaje ciałko resztkowe. Zawartość takiego ciałka może być wydalona poza komórkę lub pozostać wewnątrzkomórkowo. Formą ciałek resztkowych są ziarna lipofuscynowe, których liczba wzrasta wraz z wiekiem organizmu, szczególnie w takich komórkach jak nerwowe i mięśnia sercowego. Zawartość ziaren lipofuscynowych to głównie niestrawione fragmenty błon komórkowych (nieskuteczna autofagia). Gromadzenie się niestrawionego materiału wewnątrz komórki może być też wynikiem defektów genetycznych, gdy lizosomy nie są w stanie trawić z powodu nieprawidłowych enzymów lub innych nieprawidłowości lizosomów. Dochodzi wtedy do stanów chorobowych (spichrzeniowych), spowodowanych gromadzeniem np. glikogenu (choroba de Pompe) lub sfingomieliny (choroba Nieman–Picka). Podsumowując, układ lizosomalny tworzą: I. powstałe w AG lizosomy pierwotne, które łącząc się z: – endosomami – pęcherzykami autofagalnymi – ziarnami wydzieliny II. tworzą lizosomy wtórne, zwane również wakuolami trawiennymi, które albo wchodzą w nowy cykl trawienny, albo tworzą III. ciała resztkowe. Pinocytoza i fagocytoza Pinocytoza (picie komórkowe) zachodzi w większości komórek i obejmuje zarówno endocytozę płynnej fazy jak i adsorbcyjną, natomiast fagocytoza zachodzi jedynie w wyspecjalizowanych komórkach (układ fagocytów jednojądrzastych) i dotyczy dużych obiektów: bakterie, fragmenty komórek lub całe komórki. Odpowiada endocytozie adsorbcyjnej.

1.6. PEROKSYSOMY Strukturami, które wielkością i kształtem zbliżone są do lizosomów są peroksysomy (mikrociałka), są one okrągłe o średnicy 0,5 µm, czasami (wątroba) do 1 µm. Charakteryzują się obecnością w nich katalazy, enzymu katalizującego rozpad nadtlenku wodoru na wodę i tlen, oraz oksydaz: moczanowej oraz D– i L–aminokwasów, a także L–alfa–

Komórka. Błony komórkowe

27

A. Zielona fluorescencja peroksyzomów wyznakowanych fluoryzującym białkiem.

B. Elekronogram peroksyzomów. Dwa zawierają kryształy oksydazy moczanowej.

Ryc. 1.12. Budowa peroksysomów.

hydroksykwasów. W części centralnej mogą zawierać krystaliczny „rdzeń” tzw. nukleoid. Tworzone są przez ER. Peroksysomy zużywają znaczną część tlenu w komórce. Odgrywają istotną rolę w procesach detoksykacyjnych.

1.7. MITOCHONDRIA Organellum komórkowym, które odgrywa zasadniczą rolę w komórkowych procesach utleniania są mitochondria. Stanowią one jedną z zasadniczych organelli wszystkich komórek eukariotycznych (niektóre zawierają ich szczególnie dużo, komórki wątrobowe ponad 1.000). Wprawdzie widziano je już w MŚ, ale wiedza o ich ultrastrukturze powstała w oparciu o ME. Mają one najczęściej kształt walca, mniej lub bardziej wydłużonego, o śred. 0,5–1,0 µm. Obserwacje żywych komórek w MŚ kontrastującym fazy w połączeniu z fotografią poklatkową wykazały, że mogą zmieniać kształt i przemieszczać się w komórce, oraz dzielić. Ścianę mitochondrium tworzą dwie błony: zewnętrzna i wewnętrzna. Pomiędzy nimi znajduje się przestrzeń określana jako międzybłonowa lub zewnętrzna (ryc. 1.13). Błona wewnętrzna obejmuje przestrzeń określaną jako wewnętrzna lub macierz (matrix) mitochondrialna. Błony mitochondrialne, zewnętrzna i wewnętrzna, różnią się od siebie budową, właściwościami i funkcją (tabela 1.3). Błona zewnętrzna zawiera dużo białek transportowych i jest jak sito przepuszczalna dla cząstek (< 5.000 daltonów). Zawiera enzym oksydazę monoaminową (MAO), która jest dla niej enzymem

funkcje: – utleniania kwasów tłuszczowych – cykl mocznikowy – replikacja, transkrypcja, translacja

funkcje: – generacja gradientu protonowego – fosforylacja oksydacyjna – transport kwasów tłuszczowych

kompleks dehydrogenazy pirogronianowej; cykl kwasów trójkarboksylowych; enzymy importu białek mtDNA (genom) mtRNA rybosom (70S)

funkcje: – elongacja kwasów tłuszczowych, synteza fosfolipidów – transport białek z cytosolu (miejsca kontaktowe)

składniki łańcucha oddechowego

Macierz

syntetaza ATP

kinazy nukleotydowe tj. adenilanowa, kreatynowa

monoaminooksydaza (MAO)

Błona wewnętrzna

miejsca kontaktowe; receptory importu białek, poryna

Przestrzeń międzybłonowa

Błona zewnętrzna

Tabela 1.3. Istotne skfadniki oraz funkcje błon i przestrzeni mitochondrialnych

28 Rozdział 1

Komórka. Błony komórkowe

29

4

1 4

3

2

5

1

Ryc. 1.13. Mitochondrium z grzebieniami. 1 – błona zewnętrzna, 2 – błona wewnętrzna, 3 – grzebienie, 4 – przestrzeń międzybłonowa, 5 – grzybki.

markerowym. Natomiast enzymem markerowym przestrzeni międzybłonowej jest kinaza adenilanowa. Ze względu na znaczną przepuszczlność błony zewnętrznej dla substancji drobnocząsteczkowych, przestrzeń międzybłonowa przypomina macierz cytoplazmy (cytosol), jeśli chodzi o zawartość tych substancji. Oddziela ją od macierzy mitochondrialnej błona wewnętrzna, która różni się znacznie przepuszczalnością od błony zewnętrznej. Błona wewnętrzna jest nieprzepuszczalna dla większości cząstek hydrofilnych, przechodzenie ich przez błonę wymaga specjalnych nośników i kanałów. Przechodzą przez nią swobodnie gazy O2, CO2, NH3, natomiast jest nieprzepuszczalna dla K, Na, Cl, glukozy, różnych nukleotydów. Jednak mogą wnikać do macierzy mitochondrialnej, w sposób selektywny, także większe cząsteczki np. białka, RNA i lipidy. Uważa się, że jest to możliwe dzięki istnieniu tzw. miejsc kontaktowych. Są to miejsca kontaktu błony zewnętrznej i wewnętrznej, w których zlokalizowane są kompleksy enzymatyczne przyjmujące postać kanałów błonowych. Wśród białek tworzących te kompleksy jest poryna. Miejsca kontaktowe obserwować można w ME. Zajmują one 7–15% powierzchni błony zewnętrznej i są strukturalnie stabilne, bowiem ich ilość (100–1500 na mitochondrium) nie zmienia się mimo zmian stanu energetycznego mitochondrium. Białka towarzyszące (chaperony). Wnikanie białek do wnętrza mitochondriów, mimo istnienia kanałów błonowych w miejscach kontaktowych byłoby bardzo utrudniona lub nawet niemożliwe bez udziału w tym procesie białek zwanych towarzyszącymi. Rola tych białek polega na tym, że wiążąc się z łańcuchem polipeptydowym białka wpływają na jego konformację. W tym wypadku białko Hsp70

Rozdział 1

30

powoduje rozciągnięcie się łańcucha polipeptydowego a przez to zmniejszenie średnicy cząsteczki białka co ułatwia jego przejście przez kanał błonowy. Natomiast białko Hsp60, już w macierzy, powoduje przyjęcie przez polipeptyd właściwej dla niego konformacji. Białka towarzyszące odgrywają istotną rolę w wielu procesach komórkowych m.in. w transporcie białek przez pory otoczki jądrowej (patrz niżej).

przestrzeń międzybłonowa

bursztynian kompleks I kompleks II nośniki

kompleks III

kompleks IV

kompleks V

Ryc. 1.14. Przebieg procesu fosforylacji oksydacyjnej.

F0

Ryc. 1.15. Syntaza ATP. Enzym F0,F1ATPaza składa się z części katalitycznej stanowiącej główkę – F1 i transbłonowego kanału H+ – F0. Oba elementy są utworzone z wielu podjednostek.

Komórka. Błony komórkowe

31

Błona wewnętrzna, w przeciwieństwie do zewnętrznej może tworzyć fałdy w formie poprzecznych przegród, co daje na przekroju obraz zbliżony do grzebienia, przegród podłużnych oraz cewek. Te ostatnie spotyka się w komórkach syntetyzujących sterydy. W błonie wewnętrznej zawarte są enzymy „łańcucha oddechowego”, złożonego systemu enzymatycznego przenoszącego elektrony, który wrażliwy jest na działanie różnych inhibitorów takich jak cyjanki, amytal, rotenon. Energia wyzwalana podczas przenoszenia elektronów z substratów na tlen, przez sprzężenie tego procesu z procesem nazywanym fosforylacją oksydacyjną magazynowana jest w postaci wiązań wysokoenergetycznych ATP. Wykazano, że proces fosforylacji oksydacyjnej związany jest ze strukturami, które w postaci „grzybków” związane są, od strony matrix, z błoną wewnętrzną. Mają one średnicę ok. 9 nm i można je uwidocznić po rozfragmentowaniu błony wewnętrznej i barwieniu negatywowym. Te „grzybki” określane jako kompleks V współpracujący z łańcuchem oddechowym to wielki kompleks białkowy – syntaza ATP, katalizujący fosforylację ADP do ATP. Tworzą go dwie części – F0 pełniąca funkcję kanału dla protonów z przestrzeni między błonowej do macierzy oraz z części F1 o charakterze katalitycznym (ryc. 1.15). Biochemicy wyróżniają pięć tzw. stanów energetycznych mitochondriów. Na stan energetyczny mitochondrium ma wpływ stężenie: – substratu (podlegającego utlenieniu) – ADP (z którego tworzony jest ATP) – O2 Natomiast morfologicznie wyróżnia się dwie formy mitochondriów – skondensowaną, którą przybiera mitochondrium w III stanie energetycznym (wysokie stężenie: substratu, ADP i O2), oraz ortodoksyjną reprezentującą pozostałe stany energetyczne. Forma skondensowana mitochondrium charakteryzuje się: poszerzoną przestrzenią międzybłonową, silnie pofałdowaną błoną wewnętrzną oraz zagęszczoną macierzą. Forma ortodoksyjna: wąska przestrzeń międzybłonowa i elektronoworzadka macierz Jest to forma najczęściej oglądana na elektronogramach. Jak wspomniano, proces przenoszenia elektronów w łańcuchu oddechowym, w którym wyzwala się energia, jest sprzężony z fosforylacją ADP (fosforylacja oksydacyjna) co umożliwia magazynowanie energii (w ATP). Mechanizm tego sprzężenia tłumaczy przyjęta obecnie teoria chemiosmotyczna zaproponowana przez Mitchell’a. Zakłada ona, że sprzężenie tych procesów zachodzi przez wytworzenie stanu wysokoenergetycznego w błonie mitochondrialnej. Podstawą tego stanu jest gradient elektrochemiczny istniejący w poprzek błony wewnętrznej. Powstaje on przez jednokierunkowe, czynne przemieszczanie protonów z matrix do przestrzeni międzybłonowej przy udziale „pompy protonowej”, która czerpie energię z transportu elektronów. Energia zmagazynowana w postaci gradientu protonów może być wykorzystana do syntezy ATP z ADP i fosforanu przy udziale kompleksu syntazy ATP. Kompleks ten, mający strukturalną postać „grzybków” związanych z błoną wewnętrzną, składa się z dwóch segmentów: kanałowego F0 i katalitycznego F1. Segment kanałowy (F0) zbudowany jest kilku podjednostek umieszczonych w poprzek błony wewnętrznej, pełniących rolę kanału dla protonów. Przechodzenie protonów przez kanał, zgodnie z gradientem stężeń, z przestrzeni międzybłonowej do macierzy mitochondrialnej umożliwia przekazywanie energii, zawartej w tym gradniecie, potrzebnej dla syntezy ATP. Synteza ta zachodzi z udziałem segmentu katalitycznego (F1). Segment ten nazywany jest także czynnikiem sprzęgajacym gdyż sprzęga on funkcję łańcucha oddechowego z procesem syntezy ATP.

32

Rozdział 1

Macierz (matrix) mitochondrialna zawiera enzymy cyklu kwasów trójkarboksylowych (Krebsa), enzymy czynne w procesie beta–oksydacji kwasów tłuszczowych oraz enzymy biorące udział w syntezie białek i kwasów nukleinowych. Synteza białek i kwasów nukleinowych może zachodzić wewnątrz matrix ponieważ znajduje się tam zarówno DNA jak i rybosomy. DNA (jedyna lokalizacja poza jądrem w komórkach zwierzęcych) występuje w postaci cząsteczek kolistych, co przypomina DNA u prokariota (bakterie), a rybosomy także przypominają te u prokariota, różnią się więc od tych, które są w macierzy cytoplazmy. Dlatego też określa się mitochondria jako ksenosomy,co ma wskazywać na ich pochodzenie. Uważa się bowiem iż w trakcie eukariogenezy, jako komórki prokarityczne wnikęły one do cytoplazmy pierwotnych komórek eukariotycznych i weszły z nimi w endosymbiozę. Zarówno DNA jak i rybosomy mitochondrialne biorą udział w syntezie białek tworzących mitochondria, jednak większość białek tego organellum jest tworzona w oparciu o DNA jądra i rybosomy cytoplazmy. Nowe mitochondria powstają przez podział już istniejących, co obserwowano w żywych komórkach. Prawdopodobnie przy tworzeniu błony zewnętrznej biorą udział błony ER. Genom mitochondrialny tworzą dwuniciowe, koliste cząsteczki DNA, zwykle kilka w pojedynczym mitochodrium. Cząsteczka DNA mitochondralnego ma około 16.500 par zasad. Jest więc bardzo mała w porównaniu z cząsteczkami jądrowego DNA. Zawiera niewiele genów, jednak 13 genów kodujących podjednostki łańcucha oddechowego i syntazy ATP ma zasadnicze znaczenie dla prawidłowego funkcjonowania tego organellum. Mutacje genów mitochodralnych kodujących te właśnie podjednostki, szczególnie w komórkach tkanek o dużym metabolizmie tlenowym (układ nerwowy, mięśnie poprzecznie prążkowane) mogą prowadzić do ciężkich schorzeń, nazywanych degeneracyjnymi chorobami mitochondralnymi. Schorzenie nazywane chorobą Lebera a objawiające się ślepotą jest efektem mutacji punktowej w genie kodującym podjednostkę w kompleksie I łańcucha oddechowego.

J•DRO KOM”RKOWE W INTERFAZIE. CYKL KOM”RKOWY

2

Teoria komórkowa sformułowana przez Schleidena i Schwanna w 1839 roku, obowiązująca nadal, mówi, że wszystkie organizmy składają się z komórek. Natomiast Virchow pierwszy sformułował twierdzenie, które potwierdziła współczesna biologia, że komórka może powstać jedynie z innej komórki. Powstawanie komórek odbywa się drogą podziału, po którym występuje różnie długo trwający okres międzypodziałowy – interfaza. Powstawanie nowych komórek z uprzednio istniejących możliwe jest dzięki temu,

3

5

6 1 2

4

3

Ryc. 2.1. Jądro komórkowe. 1 – otoczka jądrowa, 2 – przestrzeń okołojądrowa, 3 – cysterna RER, 4 – polisom, 5 – pory jądrowe, 6 – jąderko, ( ) – połączenia otoczki jądrowej z RER.

Rozdział 2

34

że każda komórka zdolna do podziału zawiera w sobie komplet informacji dotyczących jej budowy i funkcji, czyli genom. W komórkach eukariotycznych, a więc posiadających jądro, właśnie w nim zawarty jest materiał genetyczny – DNA. Jądro komórkowe, w okresie interfazy, ma postać pęcherzyka, którego zawartość oddzielona jest od cytoplazmy przez otoczkę jądrową (ryc. 2.1).

2.1. OTOCZKA J•DROWA Otoczka jądrowa (ryc. 2.2) powstaje z siateczki śródplazmatycznej w końcowym okresie kariokinezy – telofazie, jest więc odpowiednikiem cysterny ER, która pokrywa poCYTOPLAZMA retikulum wewnątrzplazmatyczne (RER) rybosom kompleks porowy

przestrzenie okołojądrowe lamina chromatyna

wnętrze jądra

Ryc. 2.2. Budowa otoczki jądrowej.

cytoplazma pierścień cytoplazmatyczny otoczka jądrowa

lamina jądrowa

por jądrowy

ziarno środkowe

chromatyna

Ryc. 2.3. Budowa kompleksu porowego.

Jądro komórkowe interfazalne

35

wierzchnię kuli, rozdzielając dwa przedziały komórkowe. Ścianę otoczki tworzą dwie błony: zewnętrzna, zwrócona do cytoplazmy, zachowująca niekiedy ciągłość z RER, oraz wewnętrzna, kontaktująca się z zawartością jądra. Pomiędzy nimi zawarta jest przestrzeń okołojądrowa. W otoczce jądrowej zawarte są, zwykle dość liczne, otwory nazywane porami. Na obwodzie poru po jądrowej i cytoplazmatycznej stronie znajduje się 8 ziarenek o śred. 10–25 nm, co nadaje porowi kształt oktogonalny. Są one połączone delikatnymi nitkami z ziarenkiem leżącym w centrum poru. Dostrzegano cienką przesłonę – diafragmę w poprzek poru. Ze względu na złożoną budowę poru otoczki jądrowej wprowadzono termin kompleks porowy. (ryc. 2.3) Stwierdzono, że liczba porów jest zmienna i zależy od aktywności komórki; np. dość aktywne komórki wątrobowe – hepatocyty szczura zawierają 3 x 103 porów/jądro. Pory odgrywają istotną rolę w wymianie pomiędzy jądrem i cytoplazmą. Z badań doświadczalnych wiadomo, że graniczną wielkością cząsteczek przechodzących przez pory jest 40– 60 kDa, oraz, że przenikanie przez pory dużych cząsteczek jest procesem złożonym. Eksportyny i importyny. Funkcjonowanie komórki wymaga stałej wymiany pomiędzy wnętrzem jądra komórkowego – nukleoplazmą a cytoplazmą. Z jądra do cytoplazmy trafiają, syntetyzowane w jądrze, cząsteczki kwasów rybonukleinowych, zwykle w postaci rybonukleoproteidów. Natomiast z cytoplazmy do jądra transportowane są białka, syntetyzowane w macierzy cytoplazmy, pełniące różnorakie funkcje. Należą do nich białka enzymatyczne uczestniczące w procesie transkrypcji, a w fazie S cyklu komórkowego również białka enzymatyczne uczestniczące w replikacji DNA oraz białka histonowe. Z cytoplazmy do jądra przechodzą także białka regulujące funkcję genomu komórkowego, nazywane czynnikami transkrypcyjnymi. Zrozumiałe, że przechodzenie tych czynników do jądra musi odbywać się pod kontrolą, tylko wtedy gdy wymaga tego stan komórki. Stwierdzono, że w transporcie poprzez pory otoczki jądrowej uczestniczą specyficzne białka transportujące. Te z nich, które uczestniczą w transporcie z jądra do cytoplazmy nazywane są eksportynami, a te, które biorą udział w transporcie z cytoplazmy do jądra importynami. Wiązanie się białka transportującego z cząsteczką podlegającą transportowi uwarunkowane jest obecnością, w cząsteczce transportowanej, sekwencji bogatej w zasadowe reszty aminokwasowe. Określa się je skrótem NLS (ang. Nuclear Localization Signals). Powstały kompleks: białko transportujące–transportowane wiąże się następnie z białkiem kompleksu porowego a przeniknęcie przez ten kompleks wymaga ATP i GTP. Przynajmniej w odniesieniu do importyn wiadomo, że składają one się z dwóch podjednostek: alfa i beta oraz, że z białkiem transportowanym przenika do jądra jedynie podjednostka alfa, która w nukleoplazmie oddziela się od cząsteczki białka transportowanego. Obok przechodzenia przez pory mogą istnieć inne drogi wymiany pomiędzy jądrem i cytoplazmą tj. transport aktywny oraz procesy analogiczne do endo- i egzocytozy. Wymiana ta jest tym większa im aktywniejsza jest komórka. Zwiększenie wymiany może nastąpić przez zwiększenie liczby porów oraz przez zwiększenie powierzchni jądra. Odbywa się to przez wzrost średnicy jądra lub zmianę kształtu, co wiąże się ze wzrostem powierzchni otoczki. Wzrost jej powierzchni odbywa się, jak stwierdzono, przez przesu-

36

Rozdział 2

wanie się błony zewnętrznej, poprzez pory, na stronę wewnętrzną otoczki. Wewnętrzna błona otoczki jądrowej pokryta jest przez blaszkę włóknistą (lamina fibrosa) zwaną również „blaszką jądrową” o grubości 80–300 nm. Białka tworzące tę blaszkę – laminy, wiążą się z jednej strony z białkami integralnymi błony wewnętrznej otoczki oraz białkami porów, a z drugiej strony z nićmi chromatyny. Białka blaszki odgrywają rolę w czasie zanikania otoczki w metafazie oraz w jej odtwarzaniu w telofazie.

2.2. CHROMATYNA Wnętrze jądra wypełnia nukleoplazma, w której zobaczyć można w MŚ i ME: chromatynę oraz jąderko. Chromatyna to barwiąca się barwnikami zasadowymi zawartość jądra (gr. chromatos = barwa). Jej rozmieszczenie w jądrze oraz intensywność barwienia jest charakterystyczna dla danego rodzaju komórek i wykorzystywana jest do ich identyfikacji. W rzeczywistości chromatyna to kłębek utworzony przez nici chromosomów interfazalnych. W MŚ nitki chromatyny (chromosomy) nie są widoczne, natomiast w ME chromatyna widoczna jest jako gęstsze lub rzadsze skupienie drobnych ziarenek, które są przeciętymi nitkami chromatyny. Rozróżniamy dwa stany upakowania, zagęszczenia chromatyny: 1) zagęszczoną, zbitą – heterochromatynę; 2) rozrzedzoną, luźną – euchromatynę. Heterochromatyna tworzy intensywnie barwiące się skupienia (w MŚ), w pobliżu otoczki oraz jąderka, w ME widać ją jako gęsto ułożone ziarenka. Przykładem heterochromatyny jest tzw. chromatyna płciowa (ciałka Barra) – ziarenko chromatyny widoczne w jądrach komórek osobników żeńskich (jeden z chromosomów X). Heterochromatyna może być konstytutywna lub fakultatywna. Heterochromatyna konstytutywna ujawnia się we wczesnych okresach różnicowania się tkanek (w embriogenezie) i utrzymuje się przez całe życie komórki, natomiast heterochromatyna fakultatywna może zmieniać się w euchromatynę, gdy komórka ulegnie aktywacji. Wiąże się to z tym faktem, że heterochromatyna jest formą nieaktywną chromatyny, natomiast euchromatyna formą aktywną, przy czym proces transkrypcji może w niej aktualnie zachodzić lub rozpocząć się pod działaniem specyficznego sygnału (stan gotowości do aktywnego działania). W średnio aktywnej komórce około 80% chromatyny to heterochromatyna a 20% to euchromatyna, a około 10% chromatyny jest aktualnie aktywna. Zasadniczym składnikiem strukturalnym chromatyny jest nitka chromatynowa odpowiadająca chromosomowi interfazalnemu, który zawiera jedną cząsteczkę DNA. Nitka chromatyny to dezoksyrybonukleoproteid, kompleks DNA i białek, głównie histonów. Ilość DNA w diploidalnym jądrze (46 chromosomów u człowieka) jest stała dla danego gatunku. Stwierdzono, że DNA występuje w nadmiarze w stosunku do informacji jakie zawiera. Nadmiar to głównie sekwencje powtarzające się, które jak wykazano nie ulegają odczytaniu – transkrypcji. Kiedy DNA izolowane z komórki rozdzielane jest przez wirowanie w gradiencie stężeń CsCl, to uzyskuje się warstwę „głównego” i dodatkowego „satelitarnego” DNA. Właśnie w tej „satelitarnej” warstwie skupia się DNA o powtarzalnych sekwencjach. Z drugiej strony ten rodzaj DNA występuje głównie w heterochromatynie. Zasadniczymi białkami chromatyny są histony – białka zasadowe, wykazujące wysoką zawartość dwóch zasadowych reszt aminokwasowych: lizyny i argininy, przez co ich ładunek

Jądro komórkowe interfazalne

37

„netto” jest dodatni. We wszystkich komórkach eukariotycznych wykazano obecność 5 rodzjów histonów: H1, H2A, H2B, H3 i H4. Cechą niezwykłą tych białek jest ich ewolucyjny konserwatyzm, bardzo odległe ewolucyjnie gatunki wykazują bardzo niewielkie różnice w budowie, szczególnie dotyczy to histonów H3 i H4. Stosunek ilości histonów i DNA jest 1:1, ilość histonów nie zmienia się, z wyjątkiem okresu syntezy, która sprzężona jest z syntezą (replikacją) DNA. Cząstki histonów i DNA tworzą charakterystyczny wzajemny układ w postaci nukleosomów. Łącząc się ze sobą nukleosomy dają obraz nitki chromatynowej (pod dużym powiększeniem w ME) jako sznura paciorków. Nukleosom to rdzeń utworzony przez oktamer histonów (po 2 cząstki H2A, H2B, H3, H4), na który nawinięty jest DNA (2 pętle). Przestrzennie nukleosom to niski walec (śred. 11 nm, wysokość 5–7 nm) z nawiniętymi na obwodzie 2 pętlami DNA długości 140 par zasad. Te walcowate struktury połączone są ze sobą tzw. łącznikiem długości 19–60 par zasad. O ile DNA otaczający rdzeń ma stałą długość bez względu na gatunek, to łącznik wykazuje zmienność. Z „łącznikiem” wiąże się histon H1. Jak wykazano, powstawanie rdzenia nukleosomu odbywa się w wyniku oddziaływań między cząsteczkami histonów, a ściśle między hydrofobowymi częściami ich łańcuchów polipeptydowych (ryc. 2.4). H1 histon H2A, H2B, H3 and H4

centralne DNA 6 nm łącznikowe DNA 10 nm Ryc. 2.4. Budowa nukleosomu.

Tak więc nitka chromatyny to suma nukleosomów. Jednak jak stwierdzono podstawowa nitka chromatyny, widziana w ME, ma średnicę ok. 30 nm (a nukleosom 10 nm). Badania wyjaśniły tą sprzeczność. Okazało się, że nitka chromatyny nie jest wyciągniętym sznurem nukleosomów, a zwiniętym w postaci solenoidu, o skręcie zawierającym 6 nukleosomów. Warunkiem tworzenia się tej „superstruktury” jest obecność histonu H1 oraz jonów Mg. Jak wykazano histony H1 warunkują również tworzenie się zagęszczeń chromatyny tak jak w heterochromatynie. Obok histonów w chromatynie występują jeszcze inne białka określane ogólnie jako „niehistonowe”. Ilość ich jest niekiedy zbliżona do ilości histonów, ale wykazuje znaczne różnice zależne od rodzaju tkanki i gatunku. Wśród białek niehistonowych istotną rolę odgrywają białka określane angielskim skrótem HMG (high mobility group). Jak wykazano białka HMG 14 i HMG 17 mogą wymieniać się z histonami H1 co powoduje rozluźnienie chromatyny i prowadzi do jej aktywacji.

Rozdział 2

38 dwuniciowy DNA

włókienko chromatyny

włókno chromatyny (solenoid)

zagęszczony rejon chromosomu

chromosom metafazalny

DNA łącznikowy nukleosom

rozciągnięty rejon chromosomu Ryc. 2.5. Struktura chromatyny. Różne stopnie upakowania chromatyny, od rozciągniętej nitki chromatyny interfazalnej (włókienko) i włókna chromatyny interfazalnej (solenoid) do chromatyny chromosomu metafazalnego.

Strukturami chromatyny tworzonymi przez nitki chromatyny, o średnicy 30 nm, są domeny. Są to pętle o długości ok. 50 kilo zasad (kz) (zakres 30–300 kz), których końce umieszczone są w szkielecie białkowym. Tworzą go metaloproteiny zawierające miedź i kobalt. Za przestrzenną organizację DNA w jądrze interfazalnym, w tym domeny, odpowiedzialna jest blaszka włóknista. Układ przestrzenny chromosomów interfazalnych, a więc układ chromatyny jest wysoce regularny i w jądrach komórek tej samej tkanki prawie identyczny. Układ ten utrzymywany jest przez oddziaływania międzychromosomowe oraz blaszkę włóknistą. Histony tworzące rdzeń nukleosomu wykazują, jak wspomniano, znaczny konserwatyzm, stałość, jeśli chodzi o skład aminokwasowy, jednak mogą one ulegać tzw. modyfikacjom postsyntetycznym. Polegają one na acetylacji, metylacji i fosforylacji reszt łańcucha polipeptydowego histonu, co wpływa na oddziaływania pomiędzy nim i DNA, głównie zmniejszając siłę ich wzajemnego oddziaływania. Wiąże się to ze wzrostem aktywności transkrypcyjnej zawartego w chromatynie DNA. Jak z tego wynika histony blokują aktywność DNA, pełniąwięc rolę represora. Jak wcześniej powiedziano znaczna większość DNA jest w stanie nieaktywnym (~ 90%), jest to właśnie wynikiem blokującego działania histonów.

2.2.1. TRANSKRYPCJA DNA Stan aktywny chromatyny to stan, w którym zachodzi proces odczytywania – transkrypcji DNA, a wiąże się to z formą chromatyny rozproszonej. Jak zachowują się nukleosomy w aktywnej chromatynie do końca jeszcze nie wiadomo. Uzyskane dane wskazują, że być może odcinki nitki chromatyny na której odbywa się transkrypcja pozbawione

Jądro komórkowe interfazalne

39

są takich struktur jak nukleosomy. Inne dane sugerują, że nukleosomy są zachowane, ale rozpadają się na połówki. Aby mogła zachodzić transkrypcja potrzebny jest jednoniciowy wzorzec DNA, enzym – polimeraza RNA zależna od DNA, komplet 4 rodzajów nukleotydów oraz jony Mg lub Mn. Polimeraza RNA u eukariotów występuje jako I, II i III. Pierwsza zaangażowana jest w syntezę rRNA i związana jest z jąderkiem, II zaangażowana jest w syntezę mRNA na obszarze całego jądra, oraz III podobnie zlokalizowana, ale bierze udział w syntezie 5Sx) RNA i tRNA. Transkrypcja przy udziale RNA polimerazy II, która uczestniczy w odczytywaniu genów kodujących białka komórkowe, rozpoczyna się od wiązania się tego enzymu z promotorem genu. Promotor genu, u eukariota, zawiera sekwencję nukleotydów (TATAA – tymina–adenina–tymina–adenina–adenina), która jest rozpoznawana i wiązana przez czynniki transkrypcyjne. Czynniki transkrypcyjne to białka o różnej budowie. Jedną z grup tych białek stanowią białka zawierające tzw. palce cynkowe. Związane z łańcuchem polipeptydowym atomy cynku nadają mu konformację umożliwiającą wiązanie się białka z specyficznymi sekwencjami DNA. Do białek będących czynnikami transkrypcynymi należą także białka będące produktami niektórych protoonkogenów. Związanie się tych czynników z DNA jest konieczne aby RNA polimerazy mogła się z nim związać i podjąć proces transkrypcji. W regulacji tego procesu, poza sekwencjami promotorowymi, mogą odgrywać rolę również sekwencje zwane wzmacniającymi (ang. enhancers), które podobnie jak sekwencje promotorowe wiążą czynniki transkrypcyjne. Stwierdzono istnienie także sekwencji osłabiających transkrypcje (ang. silencers). Bezpośrednim produktem procesu transkrypcji jest tzw. transkrypt, któremu odpowiada heterogenny RNA (HnRNA). Ten produkt transkrypcji zawiera zarówno sekwencje informacyjne jak i nieinformacyjne. Wynika to ze struktury genów stanowiących matrycę dla syntezy RNA. Jak stwierdzono większość genów u eukariota to geny nieciągłe zwane także mozaikowymi. Sekwencje informacyjne DNA tworzącego taki gen są przedzielone sekwencjami nieinformacyjnymi, pierwsze noszą nazwę egzonów, drugie intronów. Na terenie jądra HnRNA ulega transformacji, polega ona na: dołączeniu 7-metyloguanozyny do końca 5' („czapeczka”), wiązaniu się białek z nowopowstałym RNA, dołączeniu łańcucha poliadenylowego (około 200 reszt adenylowych) do końca 3', a przede wszystkim na wycięciu sekwencji nieinformacyjnych – intronów. Proces wycinanie intronów z HnRNA, w wyniku czego powstaje informacyjny RNA, nazywany jest składaniem RNA (ang. splicing). W procesie tym uczestniczą cząsteczki snRNA (małe jądrowe RNA), które wraz z białkami i odpowiednią sekwencją HnRNA tworzą kompleks nazywany splisosomem. Jak stwierdzono efektem składania tego samego rodzaju HnRNA może być różne mRNA gdyż wycinaniu podlegają nie zawsze te same sekwencje. Nazywane jest to składaniem alternatywnym. Ostatecznie, powstałe w wyniku składania, mRNA opuszcza jądro w połączeniu z białkiem.

x)

S – jednostka Svedberga określająca szybkość sedymentacji pod wpływem sił grawitacji wywołanych w ultrawirówce. Wartość wyrażana w tych jednostkach zależna jest od masy cząsteczki oraz jej rozmiaru i kształtu.

40

Rozdział 2

2.2.2. REGULACJA DZIA£ANIA GEN”W PRZEZ RNA Jak stwierdzono zarówno u pro- jak i eukariota RNA może wpływać na aktywność genów. Krótkie RNA powstające przez działanie enzymów może bezpośrednio represorować geny z homologią do tych krótkich RNA. Taka represja nazywana RNAi (RNA interference) – „zakłócającego RNA” może być realizowana przez hamowanie translacji mRNA, niszczenie mRNA lub wyciszanie promotora, który kieruje tworzenie tego RNA. Represje genu można także uzyskać wprowadzając do komórki dwuniciowy RNA (dsRNA – double stranded RNA), który zawiera sekwencje identyczne z sekwencją represorowanego genu. Represja przez RNA odgrywa role w hamowaniu rozwoju niektórych wirusów.

2.2.3. METYLACJA DNA MOØE PROWADZI∆ DO TRWA£EGO WYCISZANIA GEN”W Niektóre geny mogą być w komórkach ssaków trwale wyciszone przez metylowanie DNA. Dzieje się tak w wielu regionach genomu i są to zwykle rejony heterochromatyny. Jest to spowodowane tym, że metylowane sekwencje są często rozpoznawane przez białka wiążące DNA (MeCP2), które rekrutują deacetylazę histonów oraz metylazę histonów a przez to modyfikują okoliczną chromatynę zawierającą zmetylowany DNA. Metylacja DNA ma zasadnicze znaczenie dla zjawiska nazywanego impryntingiem genomowym. Zjawisko to prowadzi do tego, że jeden z genów w parze chromosomów homologicznych (jeden do ojca a drugi od matki) jest wyłączony i ten stan utrzymuje się w kolejnych podziałach komórki. Zaburzenia tego zjawiska mogą prowadzić do niektórych chorób dziedzicznych a także do chorób nowotworowych.

2.3. J•DERKO Specyficzną strukturą jądrową jest jąderko. W MŚ widoczne jako twór najczęściej kolisty, otoczony zagęszczoną chromatyną, silnie barwiący się barwnikami zasadowymi. W ME stwierdzono istnienie włókienkowego rdzenia i ziarnistej kory. Jąderko wykazuje znaczną zmienność co do wielkości, w zależności od aktywności komórki. Istnienie jąderka jest wynikiem intensywnej syntezy, drogą transkrypcji, specyficznego rodzaju RNA zwanego rybosomalnym (rRNA) na odcinku genomu określanym jako organizator jąderka, oraz przekształceń pre-RNA w sąsiedztwie miejsca powstania. Organizator jąderka to fragment genomu zawierający powtarzające się sekwencje kodujące cząsteczki 18S i 28S rRNA, podzielone intronami. Transkrypcja rRNA odbywa się przy udziale RNA – polimerazy I, a jej produktem jest transkrypt w postaci wielkocząsteczkowego prekursora pre–rRNA 45S. Podlega on po transkrypcji przemianom w 28S rRNA i 18S rRNA, które polegają na usuwaniu zbędnych sekwencji przy udziale enzymów: endo- i egzonukleaz. Powstałe produkty to kompleksy RNA – białko (RNP). RNA 18S w powiązaniu z białkami tworzy małą podjednostkę rybosomu, a 28S dużą.

Jądro komórkowe interfazalne

41

Podjednostki opuszczają jądro niezależnie od siebie. Ostatecznie mała podjednostka, u eukariotów, ma stałą sedymentacji 40S a duża 60S, łącznie jako rybosom 80S. Rybosom zawiera 65% rRNA (18S, 28S, 5S), reszta (35%) to białka (10 rodzajów w małej i 20 w dużej podjednostce). Jego wymiary to 20 x 30 nm. Łączenie się podjednostek w rybosom następuje z chwilą podjęcia syntezy białka, w czym biorą udział jony Mg, metionylo–tRNA i mRNA.

2.4. TRANSLACJA Proces biosyntezy białka określany jako translacja, dzielony jest na fazę inicjacji, elongacji i terminacji. I. Inicjacja. Pierwsza faza translacji określana jako inicjacja rozpoczyna się od połączenia mRNA z małą podjednostką rybosomu (40S). Wcześniej dochodzi do powstania kompleksu: met–tRNA– GTP– czynnik inicjacji (eIF–2), który łączy się z małą podjednostką. Dopiero wtedy podjednostka 40S łączy się z pierwszym nukleotydem mRNA jakim, u eukariota, jest 7–metylo–guanozyna, nazywana „kapturkiem” (ang. cap) Następnie mała podjednostka przesuwa się wzdłuż łańcucha mRNA aż napotka inicjujący kodon AUG. W tym momencie dołączona zostaje duża podjednostka 60S i faza inicjacji zostaje zakończona. II. Elongacja. W tej fazie zostaje zapoczątkowana, a następnie jest kontynuowana synteza łańcucha polipeptydowego. Najpierw met–tRNA łączy się z kodonem AUG poprzez zawarty w nim antykodon. Zachodzi to wewnątrz rybosomu w miejscu nazywanym miejscem P. Następnie w miejsce A wnika aminoacylo–tRNA (aa–tRNA), zawierający anty–kodon zgodny z kodonem, który następuje po kodonie inicjującym AUG. Przy udziale enzymu: transferazy peptydylowej, dochodzi do przeniesienia reszty metioninowej na resztę kolejnego aminokwasu co prowadzi do powstania wiązania peptydowego pomiędzy grupą karboksylową metioniny a grupą aminową kolejnego aminokwasu. Wtedy kompleks: tRNA–reszta kolejnego aminokwasu–metionina przesuwany jest do miejsca P (translokacja), przez co kodon AUG mRNA wysuwa się z miejsca P a miejsce A zostaje zwolnione dla kolejnego aa–tRNA. Proces ten polegający na: wiązaniu aa–tRNA z mRNA na zasadzie kodon–antykodon, powstawaniu wiązania peptydowego oraz przesuwaniu się mRNA wraz z kompleksem tRNA–powstający łańcuch polipeptydowy z miejsca A do P powtarzany jest cyklicznie aż odczytana zostanie cała sekwencja informacyjna mRNA. Energia potrzebna do przemieszczeń zachodzących w trakcie syntezy polipetydu pochodzi z GTP. W procesie elongacji uczestniczą specyficzne białka nazywane czynnikami elongacji (EF). Jeśli syntetyzowane biało jest białkiem sekrecyjnym a więc przeznaczonym do wydzielenia poza komórkę lub białkiem, które zostanie wbudowane w błonę jako jej białko integralne, to początek łańcucha polipetydowego tworzy tzw. sekwencja sygnałowa. Cechuje ją wysoka zawartość hydrofobowych reszt aminokwasowych, których obecność umożliwia przenikanie, lub wbudowywanie się łańcucha polipeptydowego do błony siteczki śródcytoplazmatycznej szorstkiej. Jeśli są to białka sekrecyjne ulegają one gromadzeniu w cysternach RER.

42

Rozdział 2

W translacji cząsteczki mRNA uczestniczy jednocześnie kilka lub kilkanaście rybosomów, zależnie od długości łańcucha mRNA, tworząc układ określany jako polisom. Dzięki temu na pojedynczej cząsteczce mRNA powstaje jednocześnie, zgodnie z liczbą rybosomów w polisomie, kilka lub kilkanaście łańcuchów polipeptydowych. III. Terminacja. Zakończenie procesu biosyntezy białka czyli translacji, nazywane terminacją, następuje wtedy gdy w trakcie przesuwania się mRNA przez rybosom, w miejscu A znajdzie się kodon terminacji: UAA, UAG lub UGA. Są to kodony nonsensowne gdyż nie istnieją tRNA z antykodonami, które by im odpowiadały. Natomiast, rozpoznawne są one przez białka nazywane czynnikami terminacji (RF – ang. release factor). Dochodzi do uwolnienia nowopowstałego łańcucha polipeptydowego od tRNA i rozpadu rybosomu na podjednostki. Każdy z tych etapów translacji jest złożony i może być hamowany przez specyficzne inhibitory, które zwykle działają różnie na komórki prokarityczne i eukariotyczne. Umożliwia to stosowanie ich do hamowania rozwoju bakterii bez wpływania na komórki gospodarza. Dlatego też inhibitory biosyntezy białka, z których wiele to antybiotyki, wykorzystywane są w terapii do zwalczania infekcji bakteryjnych. Natomiast te, które hamują biosyntezę białka u eukariota mogą być stosowane do hamowania rozwoju komórek nowotworowych (cytostatyki).

2.5. CYKL KOM”RKOWY Procesy transkrypcji, a następnie translacji podlegają w komórce mechanizmom regulacyjnym, które decydują o ich zapoczątkowaniu, natężeniu i czasie trwania. Procesy te, które zaangażowane są w przygotowanie do podziału komórki ułożone są w sekwencję, którą nazywamy cyklem komórkowym. Cykl komórkowy, zwany także mitotycznym, to cykl skomplikowanych procesów biochemicznych uzależnionych wzajemnie od siebie oraz od czynników zewnętrznych, prowadzący do podziału komórki. W cyklu tym wyróżnia się następujące fazy: G1 (od ang. gap – odstęp), S (synteza – replikacja DNA), G2 oraz M (mitoza). Mitozę od początku następnej fazy G1 może oddzielać, trwajaca różnie długo faza G0. Okres życia komórki obejmujący fazy: G1(G0), S i G2 określa się jako interfazę (ryc. 2.6). Regulacja cyklu komórkowego, odbywa się poprzez szereg procesów fosforylacji i defosforylacji. Fosforylacja białek komórkowych dokonywana jest przy udziale kinaz, które wraz z białkami nazywanymi cyklinami tworzą kompleksy. Kinazy tworzą katalityczną część tego kompleksu, podczas gdy cykliny jego część regulatorową, gdyż decydują o aktywności związanych z nimi kinaz. Dlatego też kinazy określane są jako zależne od cyklin (ang. Cyklin Dependent Kinases – CDK). Stężenie CDK w komórce w czasie cyklu nie ulega większym zmianom, natomiast zmienia się ich aktywność. Wiąże się to ze znacznymi wahaniami stężenia cyklin w poszczególnych fazach cyklu (stąd ich nazwa). Znanych jest kilka rodzajów kinaz, tworzących rodzinę kinaz CDK. Oznacza się je cyframi. Podobnie, znanych jest kilka rodzajów cyklin, oznaczanych literami. Określone kompleksy CDK–cyklina są charakterystyczne dla poszczególnych faz cyklu. Cykliny D tworzą kompleksy z CDK4 i CDK6, decydując o przejściu z fazy G1 w fazę S. Cykliny E i A tworzą kompleksy z CDK2 decydując o inicjacji syntezy

Jądro komórkowe interfazalne

43

Profaza (±1 godz.) S (8 godzin)

G2+mitoza (2,5–3 godz.) Metafaza (