Cytologia: Budowa i Funkcje Cytoplazmy

PODSTAWOWE CECHY KOMÓRKI I RÓŻNICOWANIE

  • Definicja komórki: Komórki wraz z materiałem zewnątrzkomórkowym tworzą tkanek budujące narządy. Są podstawowymi strukturalnymi i czynnościowymi elementami organizmu.
  • Komórki zwierzęce: Są eukariotyczne, otoczone błonami komórkowymi. Zawierają jądro ograniczone błoną oraz cytoplazmę (roztwór wodny z organellami, zespołami cząsteczek i cytoszkieletem).
  • Porównanie z komórką prokariotyczną: Komórka bakteryjna (prokariotyczna) jest mniejsza, posiada ścianę komórkową, ale nie posiada jądra ani błonowych struktur cytoplazmatycznych.
  • Różnicowanie komórki:
    • Ciało dorosłego człowieka składa się z blisko 4040 trylionów komórek tworzących setki rodzajów histologicznych.
    • Wszystkie pochodzą od zygoty (połączenie plemnika i oocytu).
    • Blastomery: Komórki powstałe w wyniku pierwszych podziałów zygoty; komórki embrioblastu tworzą wszystkie tkanki płodu.
    • Embrionalne komórki macierzyste: Pochodzą z komórek embrioblastu utrzymywanych w hodowli tkankowej.
    • Proces różnicowania: Specjalizacja komórek płodu polegająca na ekspresji zestawów genów dla swoistych czynności cytoplazmy, co zazwyczaj zmienia morfologię komórki.
    • Przykład specjalizacji: Włókna mięśni szkieletowych powstają z połączenia mioblastów w miotuby, specjalizując się w przekształcaniu energii chemicznej w skurcz przy użyciu aktyny i miozyny.
  • Aktywność komórkowa w zależności od typu (Tabela 2-1):
    • Ruch: Komórki mięśniowe i inne kurczliwe.
    • Tworzenie połączeń adhezyjnych: Komórki nabłonkowe.
    • Synteza ECM (macierzy pozakomórkowej): Fibroblasty, komórki kości i chrząstek.
    • Potencjały czynnościowe: Neurony i komórki zmysłowe.
    • Synteza enzymów trawiących: Gruczoły układu pokarmowego.
    • Synteza steroidów: Komórki nadnerczy, jąder, jajników.
    • Transport jonów: Komórki nerek i ślinianek.
    • Trawienie wewnątrzkomórkowe: Makrofagi i neutrofile.
    • Magazynowanie lipidów: Komórki tłuszczowe.
    • Absorpcja: Nabłonek jelit.

BŁONA KOMÓRKOWA: STRUKTURA I MODEL PŁYNNEJ MOZAIKI

  • Skład chemiczny: Błona komórkowa (plazmaleuma) składa się z fosfolipidów, cholesterolu i białek.
  • Funkcje ogólne:
    • Fizyczna bariera chroniąca zawartość.
    • Wybiórcza przepuszczalność (regulacja transportu jonów i odżywek).
    • Tworzenie gradientu elektrochemicznego.
    • Komunikacja (receptory sygnałowe).
  • Wymiary: Grubość wynosi od 7,5 nm7,5\,nm do 10 nm10\,nm; widoczna głównie w transmisyjnym mikroskopie elektronowym (TEM).
  • Fosfolipidy: Cząsteczki amfipatyczne.
    • Głowa: Polarna, hydrofilna, zawiera grupę fosforanową; skierowana na zewnątrz.
    • Ogon: Dwa niepolarne, hydrofobowe kwasu tłuszczowe; skierowane do wnętrza dwuwarstwy.
  • Cholesterol: Lipid steroidowy modulujący płynność błony poprzez ograniczanie ruchów fosfolipidów.
  • Asymetria błony: Skład fosfolipidów różni się między warstwami. Np. w erytrocytach fosfatydylocholina i sfingomielina są w warstwie zewnętrznej, a fosfatydyloseryna i fosfatydyloetanolamina w wewnętrznej.
  • Glikokaliks: Delikatna powłoka cukrowa na powierzchni zewnętrznej, utworzona przez łańcuchy oligosacharydów glikolipidów i glikoprotein. Odpowiada za antygenowość i rozpoznawanie komórek.
  • Białka błonowe (ok. 50% masy):
    • Białka integralne: Zakotwiczone w dwuwarstwie (usuwane tylko przez detergenty). Białka wielokrotnie przechodzące (multipass proteins) przechodzą przez błonę kilkakrotnie.
    • Białka powierzchniowe (obwodowe): Związane z jedną stroną (zwykle cytoplazmatyczną); ekstrahowane roztworami soli.
    • Integryny: Łączą cytoszkielet z macierzą pozakomórkową (ECM).
  • Tratwy lipidowe: Specjalne obszary o wyższej zawartości cholesterolu i nasyconych kwasów tłuszczowych, zawierające grupy białek rusztowania (scaffold proteins) dla efektywnego przekazywania sygnałów.
  • Powierzchnie w technice mrożenia i łamania:
    • Powierzchnia P (protoplasmic face): Połowa błony przylegająca do cytoplazmy; zawiera więcej białek.
    • Powierzchnia E (extracellular face): Połowa błony od strony zewnętrznej.

MECHANIZMY TRANSPORTU PRZEZ BŁONY

  • Procesy bierne (bez energii komórkowej):
    • Dyfuzja prosta: Ruch małych cząsteczek niepolarnych (O2O_2, CO2CO_2) bezpośrednio przez dwuwarstwę.
    • Kanały: Białka wielokrotnie przechodzące tworzące pory dla jonów (Na+Na^+, K+K^+, Ca^{2+). Akwaporyny to specjalne kanały dla wody.
    • Białka nośnikowe (dyfuzja ułatwiona): Przyłączają cząsteczkę (np. glukozę) i zmieniają konformację, aby przenieść ją na drugą stronę.
    • Osmoza: Dyfuzja wody przez błonę selektywnie przepuszczalną do środowiska o wyższym stężeniu substancji rozpuszczonych.
  • Procesy aktywne (wymagają energii z ATP):
    • Transport aktywny pierwotny: Pompy białkowe (np. pompa Na+/K+Na^+/K^+ transportująca Na+Na^+ na zewnątrz i K+K^+ do środka, pompy Ca2+Ca^{2+}). Często nazywane ATP-azami.
    • Transport aktywny wtórny: Napędzany ruchem innej substancji (zwykle Na+Na^+) zgodnie z jej gradientem.
      • Symport: Obie substancje w tym samym kierunku (np. Na+Na^+/glukoza).
      • Antyport: Substancje w przeciwnych kierunkach (np. Na+/H+Na^+/H^+).
  • Transport pęcherzykowy (makrocząsteczki):
    • Endocytoza: Wpuklenie błony do wnętrza.
      • Fagozytoza: Pochłanianie cząstek stałych (bakterie, szczątki). Tworzenie fagosomu przy udziale pseudopodiów.
      • Pinocytoza: Pobieranie płynu pozakomórkowego (pęcherzyki o średnicy ok. 80 nm80\,nm).
      • Endocytoza zależna od receptorów: Ligandy wiążą się z receptorami w dołkach opłaszczonych (klatrynowych). Klatryna tworzy strukturę wielościenną (klatkę).
    • Transcytoza: Przenoszenie substancji w pęcherzykach przez całą komórkę na jej przeciwległą stronę (częste w nabłonkach).
    • Egzocytoza: Fuzja pęcherzyków wydzielniczych z błoną i uwolnienie zawartości. Może być aktywowana przez wzrost Ca2+Ca^{2+}.
      • Sekrecja konstytutywna: Ciągła, zaraz po syntezie (np. kolagen).
      • Sekrecja regulowana: W odpowiedzi na sygnał (np. enzymy trzustkowe).
    • Egzosomy: Drobne pęcherzyki (<120 nm< 120\,nm) uwalniane z ciałek wielopęcherzykowych.

ODBIÓR I PRZEKAZYWANIE SYGNAŁÓW

  • Drogi przekazywania sygnału:
    • Endokrynna: Hormony przenoszone przez krew do odległych tkanek.
    • Parakrynna: Lokalne działanie liganda na sąsiednie komórki przez płyn pozakomórkowy.
    • Synaptyczna: Neurotransmitery działają na bardzo małą odległość w synapsach.
    • Autokrynna: Komórka reaguje na własne wydzielone cząsteczki.
    • Jukstakrynna: Wymaga bezpośredniego kontaktu (ligand zakotwiczony w błonie jednej komórki wiąże receptor drugiej).
  • Klasy receptorów błonowych:
    • Związane z kanałami: Otwierają się po związaniu liganda (np. neuroprzekaźnika).
    • Pełniące funkcję enzymatyczną: Zwykle kinazy białkowe; fosforylują inne białka.
    • Sprzężone z białkami G: Po związaniu liganda aktywują białko G, które wiąże GTP i działa na inne białka efektorowe (kanały lub enzymy).
  • Informatory (przekaźniki):
    • Pierwszorzędowe: Ligandy (np. hormony peptydowe).
    • Drugorzędowe: Generowane wewnątrz komórki, np. cAMP (cykliczny mononofosforan adenozyny), DAG (1,2-diacyloglicerol), IP3IP_3 (inozytolo-1,4,5-trifosforan).
  • Sygnały hydrofobowe: Hormony steroidowe i tarczycy. Dyfundują przez błonę i wiążą się z receptorami cytoplazmatycznymi lub jądrowymi, wpływając na transkrypcję DNA.
  • Aspekt kliniczny: Brak receptorów może prowadzić do chorób, m.in. rzekomej niedoczynności przytarczyc lub karłowatości (hormony są obecne, ale komórki nie odpowiadają).

RYBOSOMY I SIATECZKA ŚRÓDPLAZMATYCZNA (ER)

  • Rybosomy:
    • Wymiary: 20×30 nm20 \times 30\,nm.
    • Budowa: Dwie podjednostki z rRNA i białek. rRNA pełni funkcję strukturalną i katalityczną (tworzenie wiązań peptydowych).
    • Polirybosomy (polisomy): Zespoły wielu rybosomów na jednej nici mRNA. Nadają cytoplazmie zasadochłonność.
    • Przeznaczenie białek: Wolne polisomy syntetyzują białka cytozolu, cytoszkieletu, jądra i mitochondriów. Polisomy związane z ER syntetyzują białka błonowe, wydzielnicze i lizosomalne.
  • Siateczka śródplazmatyczna (ER): System cystern i kanalików zajmujący dużą część cytoplazmy.
  • Szorstka siateczka (RER):
    • Posiada przyłączone rybosomy.
    • Funkcje: Synteza białek, rdzeniowa glikozylacja glikoprotein, fałdowanie przy pomocy białek opiekuńczych (chaperonów).
    • Mechanizm segregacji (SRP): Sekwencja sygnałowa białka wiąże się z SRP (cząsteczka rozpoznająca sygnał), co kieruje kompleks do receptora w błonie ER.
    • ERAD: Degradacja białek związana z ER; nieprawidłowe białka są usuwane do cytozolu, znakowane ubikwityną i niszczone w proteasomach.
  • Gładka siateczka (SER):
    • Brak rybosomów, struktura kanalikowa.
    • Funkcje: Biosynteza lipidów (fosfolipidów, steroidów), detoksykacja (enzymy cytochromu P450), magazynowanie Ca2+Ca^{2+}.
    • Siateczka sarkoplazmatyczna: Specjalna postać SER w mięśniach, kluczowa dla skurczu.
  • Aspekt kliniczny:
    • Osteogenesis imperfecta: Wydzielanie nieprawidłowego prokolagenu przez komórki kostne.
    • Żółtaczka noworodków: Niedostateczny rozwój SER w komórkach wątroby (brak metabolizmu bilirubiny).

APARAT GOLGIEGO I SEKRECJA

  • Aparat Golgiego (AG): Zespół spłaszczonych cystern i pęcherzyków, zlokalizowany zwykle blisko jądra.
  • Bieguny funkcjonalne:
    • Powierzchnia cis (formowania): Otrzymuje pęcherzyki transportujące z RER (transport wspomagany białkiem COP-II).
    • Powierzchnia trans (dojrzewania): Wysyła gotowe pęcherzyki do miejsc przeznaczenia (transport wsteczny z AG do RER wspomagany białkiem COP-I).
  • Funkcje enzimatyczne: Dalsza glikozylacja (N- i O-glikozylacja), siarczanowanie reszt tyrozyny i cukrów, fosforylacja, ograniczona proteoliza.
  • Sortowanie: Marker mannozo-6-fosforan (M6P) kieruje enzymy do lizosomów.
  • Ziarnistości wydzielnicze: Powstają przez zagęszczenie zawartości na powierzchni trans. Ziarna zymogenu zawierają enzymy trawienne.

LIZOSOMY I PROTEASOMY

  • Lizosomy:
    • Kuliste pęcherzyki (0,05−0,5 μm0,05-0,5\,\mu m) z kwaśnymi hydrolazami (proteazy, nukleazy, fosfatazy itp.).
    • Środowisko: pH≈5,0pH \approx 5,0 utrzymywane przez pompy protonowe (H+ ATP-azy).
    • Lizosom wtórny (heterolizosom): Powstaje po fuzji lizosomu z pęcherzykiem endocytarnym.
    • Ciałka resztkowe: Niestrawione resztki. W neuronach/mięśniach serca gromadzą się jako ziarna lipofuscyny.
  • Autofagia: Trawienie własnych zużytych organelli. Tworzenie autofagosomu otoczonego błoną z SER, który łączy się z lizosomem.
  • Proteasomy:
    • Małe kompleksy białkowe (nieobłonione) o kształcie cylindra.
    • Funkcja: Degradacja pojedynczych cząsteczek wolnych białek (zdenaturowanych lub niepotrzebnych).
    • System ubikwityny: Białka przeznaczone do zniszczenia są znakowane poliubikwityną (łańcuch z 7676 aminokwasów). Cząstka regulatorowa proteasomu rozwija białko przy użyciu ATP i wpuszcza je do rdzenia katalitycznego.
  • Aspekty kliniczne:
    • Choroby spichrzeniowe: Brak enzymów lizosomalnych (np. zespół Hurlera, choroba Taya-Sachsa, choroba Gauchera).
    • Neurodegeneracja: Agregaty białek przy nieprawidłowym działaniu proteasomów (choroba Alzheimera, choroba Huntingtona).

MITOCHONDRIA I PEROKSYSOMY

  • Mitochondria:
    • Odpowiadają za oddychanie tlenowe i produkcję ATP.
    • Budowa: Dwie błony. Błona zewnętrzna zawiera poryny. Błona wewnętrzna tworzy grzebienie i jest wysoce nieprzepuszczalna dla jonów.
    • Macierz: Zawiera enzymy cyklu Krebsa, kolisty mtDNA, mRNA, tRNA i rybosomy.
    • Chemiosmoza: Transport elektronów w łańcuchu oddechowym tworzy gradient protonowy (H+H^+) w przestrzeni międzybłonowej. Przepływ protonów przez syntazę ATP generuje energię mechaniczną przekształcaną w ATP.
    • Półautonomia: Większość białek kodowana jest w jądrowym DNA, ale mitochondria posiadają własny aparat replikacji i translacji.
    • Apoptoza: Mitochondria uwalniają cytochrom c, co aktywuje kaskadę kaspaz prowadzącą do śmierci komórki.
  • Peroksysomy:
    • Kuliste, otoczone pojedynczą błoną.
    • Funkcje: Utlenianie substratów (oksydazy generują H2O2H_2O_2), rozkład nadtlenku wodoru przez katalazę, β\beta-oksydacja bardzo długołańcuchowych kwasów tłuszczowych (powyżej 18 atomów węgla).
  • Aspekty kliniczne:
    • Zespół MERRF: Padaczka miokloniczna, wada mtDNA (gen tRNA lizyny).
    • Adrenoleukodystrofia: Wadliwe białko błony peroksysomu, rozpad osłonek mielinowych.
    • Zespół Zellwegera: Ogólny niedobór enzymów peroksysomalnych.

CYTOSZKIELET

  • Mikrotubule:
    • Średnica: 25 nm25\,nm. Zbudowane z heterodimerów α\alpha- i β\beta-tubuliny.
    • Polaryzacja: Koniec (+) (szybki wzrost) i koniec (-) (wolniejszy). Wykazują dynamiczną niestabilność.
    • Centrosom: Ośrodek organizacji mikrotubul (MTOC), zawiera parę centrioli (tripletowy układ 9×39 \times 3).
    • Białka motoryczne: Kinezyny (transport anterogradowy - do końca +) i dyneiny (transport retrogradowy - do końca -).
  • Mikrofilamenty (aktynowe):
    • Średnica: 5−7 nm5-7\,nm. Helisa z globularnej aktyny G (polimeryzuje w aktynę F).
    • Treadmilling: Przyłączanie monomerów na końcu (+) i odłączanie na końcu (-).
    • Występowanie: Kora komórki, lamellipodia, mikrokosmki.
    • Miozyny: Białka motoryczne współpracujące z aktyną w skurczu i transporcie pęcherzyków.
  • Filamenty pośrednie:
    • Średnica: 8−10 nm8-10\,nm. Najbardziej stabilne, zapewniają wytrzymałość mechaniczną.
    • Klasy białek (Tabela 2-5):
      • Keratyny (izofomy I i II): W komórkach nabłonkowych (tonofibryle).
      • Wimentyna (III): Komórki mezenchymalne.
      • Desmina (III): Mięśnie.
      • GFAP (III): Astrocyty.
      • Białka neurofilamentów (IV): Neurony.
      • Laminy (V): Blaszka jądrowa.

WTRĘTY KOMÓRKOWE (INKLUZJE)

  • Charakterystyka: Struktury nieaktywne metabolicznie, często nieobłonione i przejściowe.
  • Krople lipidowe: Bogate w adipocytach i komórkach kory nadnerczy.
  • Ziarna glikogenu: Magazyn glukozy, widoczne w TEM i reakcji PAS; liczne w wątrobie.
  • Depozyty barwne:
    • Melanina: Chroni przed UV (naskórek).
    • Lipofuscyna: Barwnik „ze starzenia”, pozostałość po lizosomach.
    • Hemosyderyna: Agregaty ferrytyny z żelazem, powstają po fagocytozie erytrocytów.
  • Aspekt kliniczny: Hemosyderoza (nadmiar żelaza) może prowadzić do hemochromatozy.