CYTOLÓGIA – náuka o bunke – študuje štruktúru buniek a ich častí.
Bunka je základná stavebná a funkčná jednotka orgánov a orgánových systémov u jednobunkových a mnohobunkových organizmov.
Z fylogenetického a morfologického hľadiska poznáme 2 typy buniek:
Prokaryotické – veľmi malé ( 1-5\ \mu m ), nemajú vyvinutý obal oddeľujúci genetický materiál od ostatných komponentov bunky, neobsahujú špecifické bázické proteíny - históny; v protoplazme nemajú membránou ohraničené organely (baktérie, spirochéty).
Eukaryotické – majú vytvorený jadrový obal, v jadre sa okrem nukleových kyselín vyskytujú históny, v cytoplazme sú prítomné organely ohraničené membránou (rastlinné a živočíšne bunky).
Tkanivá ľudského organizmu obsahujú okolo 200 typov diferencovaných buniek.
Väčšina typov buniek sa skladá z bunkového jadra a cytoplazmy (výnimka: zrelé červené krvinky, zrohovatené bunky epidermis).
Štruktúra bunky: BUNKOVÉ JADRO a CYTOPLAZMA
BUNKOVÉ JADRO – karyoplazma.
CYTOPLAZMA – pozostáva z cytoplazmatického matrixu, v ktorom sú obsiahnuté štruktúry bunky (organely) a dočasné komponenty bunky (bunkové inklúzie – pigmenty, metabolity – lipidy, proteíny, sacharidy).
ribozómy, centrioly, elementy cytoskeletu (mikrotubuly, mikrofilamenty, intermediárne filamenty).
Cytoplazmatické inklúzie – paraplazma
Paraplazma obsahuje glykogénové granuly, lipidy, pigmenty.
Cytoplazmatický matrix – hyaloplazma
Voda 60-80\%, ióny, metabolity, rozpustné enzýmy, sacharidy.
Acidofilná bezštruktúrna hmota obsahujúca rôzne proteíny.
Plazmaléma (Bunková membrána) – štruktúra a zložky
1) bimolekulárna vrstva fosfolipidov:
dve hydrofilné globulárne polárne časti pripojené k nepolárnym hydrofóbnym reťazcom mastných kyselín a cholesterolu.
2) Proteíny – cca 50% membrány:
periférne proteíny – voľne pripojené na povrchu;
integrálne proteíny – zabudované do lipidovej dvojvrstvy, nie sú viazané na jednom mieste; môžu difundovať vo vodorovnom smere; časť tvoria iónové kanály a permeázy (umožňujú transport malých hydrofilných molekúl, napr. aminokyselín, glukózy).
model TEKUTEJ MOZAIKY (Singer a Nicolson, 1972).
3) Sacharidy – oligo- a polysacharidové reťazce naviazané na lipidy alebo proteíny (glykolipidy a glykoproteíny): dôležité komponenty membránových receptorov; glykokalyx – veľké množstvo vyčnievajúcich sacharidových reťazcov.
4) Ióny (Ca^{2+}), voda.
Pokiaľ ide o polaritu a hydrofilné vs hydrofóbne reťazce, membrána obsahuje: polarne hydrofilné globulárne časti – v kontakte s vodným prostredím; nepolárne hydrofóbne reťazce mastných kyselín a cholesterolu.
Model TEKUTEJ MOZAIKY – pohľad na fluiditu a mobilitu proteínov a lipidov v dvojvrstve.
Depozity OsO4 a ultraštruktúra membrány (EM)
Depoity redukovaného OsO4 sa vizualizujú ako tmavé línie v oblastiach hydrofilných bázických skupín fosfolipidov na odvrátených stranách lipidovej dvojvrstvy (elektrónovo denzné).
Glykolipidy, glykoproteíny a glykokalyx
Glykolipidy a glykoproteíny – tvoria vonkajší povrch membrány; podieľajú sa na rozpoznávaní buniek a interakciách s prostredím.
Glykokalyx – súčasť ľudskej bunky, rozsiahle sacharidové reťazce.
Cytoskelet a jeho zložky
Mikrofilamenty – priemer 4-7\ nm; tvorené aktínom; význam v tvarovej dynamike buniek a pohybe cytoplazmy; v interfáze tvoria trojrozmernú sieť od jadra k plazmaleme; v svalových bunkách – modifikované aktínové filamenty (tenké myofilamenty) spolu s hrubými myozínovými filamentami (\approx 16\ nm) tvoria stabilnú štruktúru; v nesvalových bunkách – dynamická, labilná sieť a približne 50% v polymerizovanej forme; riadi sa hladinou Ca^{2+} a Ca^{2+}-väzbovými proteínmi (kalmodulín).
Intermediárne filamenty – systém vláknitých štruktúr s priemerom 10\ nm; nekontraktilné, dôležité pre identifikáciu pôvodu buniek a histopatológiu (napr. cytokeratíny, vimentín, dezmínové, gliové, neurofilamenty);
Mikrotubuly – základná stavebná jednotka tubulínu: globulárny heterodimér z alfa- a beta-subjednotky; tvoria protofilamenty, ktoré dávajú stenu mikrotubulov (počet protofilamentov: 13);
Funkcie: udržiavanie tvaru bunky, intracelulárny transport, tvorba mitotického vretienka during delenia; MAPs (proteíny asociované s mikrotubulami) sú dôležité pre chytenie a organizáciu; transport cez kinezín (anterográdny) a dyneín (retrográdny).
Mikrotubuly – dynamické štruktúry; rast cez polymerizáciu; organizujúce centrá: centrozóm, bazálne telieska, kinocíliá; SM – imunohistochemická metóda s fluorescenčne značenou protilátkou na tubulín ukazuje hustú sieť mikrotubulov v cytoplazme; mikrotubuly sú tvorené z centrálneho centrozómu (centriómu).
Centrozóm a centrioly
Centrozóm je hlavné mikrotubuly organizujúce centrum bunky; lokalizované v blízkosti jadra a Golgiho aparátu.
Tvorí ho pár centriolov uložených dlhými osami kolmo na seba; stena centriolu pozostáva z 9 tripliet mikrotubulov (A, B, C), pričom iba mikrotubulus A má 13 protofilamentov.
Okolo centriolov je pericentriolárny matrix obsahujúci proteíny iniciujúce polymerizáciu mikrotubulov a ich upevnenie, z ktorého novovzniknuté mikrotubuly radiálne šíria do cytoplazmy.
Pod povrchom buniek indukujú vývoj bazálnych teliesok (bazálne telieska) – majú rovnakú štruktúru ako centrioly a sú organizačnými centrami pre mikrotubuly cilií.
pred začiatkom delenia bunky dochádza k duplikácii centriolov; páry putujú na opačné póly a ich pericentriolárne telieska sa stávajú organizačnými centrami pre vývoj mikrotubulov deliaceho vretienka.
BUNKOVÉ INKLÚZIE – PARAPLAZMA
Inclusiones cytoplasmicae – komponenty cytoplazmy, ktoré môžu, ale nemusia byť ohraničené membránou; nie sú trvalou súčasťou bunky.
Niektoré inklúzie sú pigmenty (farebné látky).
Funkcia inklúzií je rôzna – prevažne zásobné látky, ktoré môžu byť zdrojom energie (napr. lipidy, sacharidy).
LIPIDY
Vyskytujú sa vo forme lipidových kvapôčok v cytoplazme mnohých buniek; môžu byť homogénne a niekedy obalené membránou.
Obsahujú mastné kyseliny, triglyceridy, cholesterol.
Výskyt: tukové väzivo (adipocyty – hlavná zásobáreň tuku), pečeň, kôra nadobličiek (spongiocyty), bunky produkujúce steroidné hormóny, ovarium (Leydigove bunky), testis.
SACHARIDY A PROTEÍNY
PAS reakcia – sacharidy vo forme glykogénu tvoria elektrónovo denzné partikuly β-grúly (20 nm); EM zhluky granúl tvoria rozety; výskyt: hepatocyty, priečne pruhované svalové vlákna.
Proteíny vo forme sekrečných granúl, ktoré sa uvoľňujú exocytózou – veľkosť 0,2-2 µm; ohraničené membránou; v LM rôzne chemické zloženie a farbiteľnosť; zymogénne granuly – obsahujú enzýmy alebo proenzýmy.
PIGMENTY
Všetky farebné bunkové inklúzie; často rôznorodá chemická skladba (proteíny a lipidy).
Delenie pigmentov podľa pôvodu:
1) Endogénne pigmenty – vznikajú priamo v bunke.
Nehemoglobinogénne (autogénne): melanín (čierno-hnedý), ceroid (hnedý), lipofuscín – pigment z opotrebovania.
2) Exogénne pigmenty – pochádzajú z vonkajšieho prostredia: prach, sadze, tetovanie, karotény.
VEĽKOSŤ A TVAR BUNIEK
Veľkosť živočíšnych buniek je variabilná.
Priemerná veľkosť somatických buniek cicavcov: 10-20\ \mu m.
Najmenšie bunky ľudského tela: 4-5\ \mu m (zrnité bunky v kôre mozočka).
Najväčšie bunky: 100-200\ \mu m (nervové bunky, oocyty).
Tvar buniek je rôznorodý a závisí od funkcie, stavu bunky a prostredia; môžu sa meniť alebo byť stály.
Bunky v tekutom médiu majú tvar okrúhly (leukocyty, erytrocyty).
Tvar bunkového jadra zvyčajne zodpovedá tvaru bunky.
TVAR BUNIEK – príklady tvarov
1) okrúhly
2) plochý
3) kubický
4) cylindrický
5) pohárikovitý
6) vretenovitý
7) hruškovitý
8) hviezdicovitý
9) pyramídový
BUNKOVÉ JADRO – latinský názov a funkcie
Lat. Nucleus, Gr. Karyon.
Obsahuje informácie nevyhnutné pre život bunky; bez jadra je životný cyklus bunky obmedzený (napr. zrelý erytrocyt).
Mnoho jadrových útvarov – syncytia.
Riadi a koordinuje všetky životné prejavy bunky.
V DNA jadra je uložená genetická informácia, ktorá sa prepíše do rôznych typov RNA.
rRNA vzniká v jadierku, tRNA a mRNA sú syntetizované extranukleolárne.
RNA prestupuje do cytoplazmy, kde je genetická informácia realizovaná pri tvorbe proteínov a ostatných komponentov bunky.
Jadro a jadrové štruktúry – EM a LM
JADROVÝ OBAL – Karyotheka:
jadro je obalené 2 paralelnými membránami, oddelenými perinukleárnou cisternou, ktorá je kontinuálna s cisternami GER.
Nukleárne póry – približne 70\ \text{nm} otvory; v miestach splynutia vnútornej a vonkajšej membrány; obklopené 8 proteínovými komplexmi a premostené diafragmou (jedna vrstva proteínov).
Predstavujú komunikácie medzi cytoplazmou a karyoplazmou.
K vnútornej membráne jadrového obalu je pripojená fibrózna lamina (laminy), ktorá tvorí jadrový lamina a spája vnútornú membránu s chromatínom.
Perinukleárna cisterna – komunikácia medzi cytoplazmou a jadrom (karyoplazmou).
Nukleárne póry a GER – spojené štruktúry.
Chromatín – DNA a proteíny
Chromatín je zložený z vláknitých molekúl DNA, bázických proteínov histónov a nehistónových proteínov.
Funkcia chromatínu: syntéza prekurzorov RNA.
Základnou stavebnou jednotkou chromatínu sú nukleozómy:
Jadro nukleozómu tvorí 8 molekúl histónov.
Okolo jadra je ovinuté dvojité vlákno molekuly DNA a nehistónové proteíny.
Nukleozómy sú špirálovito usporiadané do vlákien s priemerom 30\ \text{nm}, ktoré sa nazývajú solenoidy; jeden solenoid je tvorený 6 nukleozómami.
Heterochromatín – kondenzovaný, elektrónovo denzný; v LM – bazofilné zhluky nukleoproteínov; vysoký stupeň kondenzácie obmedzuje prepis genetickej informácie.
Euchromatín – roväzné, rozvinuté nukleozómy; vysoká transkripčná aktivita.
Pomer heterochromatínu a euchromatínu odráža transkripčnú aktivitu jadra.
Jadro – Nucleolus (jadierko)
Sférická, výrazne bazofilná a elektrónovo denzná štruktúra; nie je ohraničené membránou.
Súčasťou jadierka sú tri typy subštruktúr:
fibrilárne centrá – obsahujú DNA so zakódovanou štruktúrou rRNA;
pars fibrosa – vlákna syntetizovanej preribozómovej RNA (pre-rRNA);
pars granulosa – granuly rRNA predstavujúce zrejúce subjednotky ribozómov.
Funkcia: syntéza rRNA.
Typy jadierok:
retikulárne – klbkovité ribonukleoproteíny;
kompaktne – tvorí kompaktnú masu;
prstencovité – kondenzované časti na periférii jadierka.
Endoplazmatické retikulum (ER)
ER tvorí kontinuálny, membránou ohraničený priestor vzájomne pospájaných paralelných cisterien a tubulov – intracelulárna sieť.
Diferencovaní buniek – rozlišujeme:
granulované ER (gER) – reticulum endoplasmaticum granulosum – integrálnou súčasťou sú ribozómy.
hladké ER (hER) – reticulum endoplasmaticum non granulosum – bez ribozómov.
Nisslova substancia – bazofilné hrudky v cytoplazme neurónov; gER najviac vyvinuté v bunkách s intenzívnou proteosyntézou; ergastoplazma – bazofilná substancia v bazálnej časti cytoplazmy seróznych žliazových buniek.
ER – významné pre syntézu proteínov a lipidov.
Ribozómy
Sú malé ribonukleoproteínové komplexy; nachádzajú sa buď voľne v cytoplazme, alebo naviazané na gER.
Hlavná funkcia: syntéza proteínov.
Golgiho aparát (GA)
Complexus golgiensis – prítomný v takmer všetkých bunkách; najčastejšie v blízkosti jadra; v špecializovaných sekrečných bunkách exokrinných žliaz je lokalizovaný supranukleárne medzi jadrom a apikálnym povrchom; v neurónoch okolo jadra – perinukleárne; lokalizácia v bazálnych častiach bunky – ameloblasty.
Funkcia: spracovanie proteínov syntetizovaných v GER – posttranslačná modifikácia:
čiastočná proteolýza;
glykozylácia, sulfatácia a fosforylácia proteínov;
koncentrácia a kondenzácia;
obalovanie sekrečných produktov bunky – sekrečné granuly;
Svetelná mikroskopia: bežnými farbiacimi metódami sa nezvýrazňuje; v SM – impregnácia striebrom (pankreas).
GA sa skladá z 3 základných častí:
1) 3–10 plochých cisterien mierne zaoblených (cisface).
2) malé transportné vezikuly na periférii.
3) niekoľko väčších kondenzačných vezikúl (transface).
Polarita GA – 2 povrchy:
Konvexný (cis) povrch – obsahuje transportné vezikuly s obsahom novosyntetizovaných proteínov; lokalizovaný na okraji v blízkosti GER.
Koncavný (trans) alebo maturačný povrch – kondenzačné vakuoly – prebieha limitovaná proteolýza, triedenie lipidov a bielkovín, obaľovanie bielkovín, fosforylácia, sulfatácia, glykozylácia (glykozyltransferáza).
Lyzozómy – Lysosoma
Lyzozómy sú membránou ohraničené sférické štruktúry obsahujúce hydrolytické enzýmy (peptidázy, lipázy, glykozidázy, nukleázy).
Funkcia: intracytoplazmatická digescia a degradácia endo- a exogénnych látok.
Primárne lyzozómy (Ly1) – malé, homogénny obsah; vznikajú odštiepením z GA; identifikácia histochemicky – kyslá fosfatáza.
Sekundárne lyzozómy (Ly2) – obsah heterogénny; prebieha degradácia makromolekúl; vznikajú látky využiteľné bunkou (aminokyseliny).
Autolyzozómy a heterolyzozómy – exogénny vs endogénny pôvod materiálu.
Terciálne lyzozómy (reziduálne telieska) – obsahujú rôzny elektronovo denzný materiál; aktivita enzýmov znížená; početné v dlhožijúcich bunkách (kardiomyocyty); lipofuscín ako pigment – pigment z opotrebovania; kumulácia v SM.
Peroxizómy – Peroxysómy
Membránou ohraničené organely tvaru sférického až ovoidného; veľkosti 0.1-0.5\ \mu m.
Časté najmä v hepatocytoch a v proximálnych tubuloch obličiek.
Obsahujú enzýmy degradujúce mastné kyseliny a aminokyseliny; obsahujú oxidačné enzýmy, predovšetkým katalázu, ktoré degradujú peroxid vodíka (H{2}O{2}).
EM: peroxizómy obsahujú kryštalické jadro.
Bunkové inklúzie – pigmenty a lipidy (zhrnutie)
Lipidy – v cytoplazme vo forme lipidových kvapôčok; môžu byť obalené membránou; v LM sa javia ako prázdne vakuoly; obsahujú mastné kyseliny, triglyceridy, cholesterol; výskyt: adipocyty (tukové väzivo), pečeň, kôra nadobličiek (spongiocyty), Leydigove bunky (testis).
Glykogén – glykogén vo forme granúl – PAS reakcia; tvoria elektrónovo denzné partikuly β-granúl ( 20\ nm ); EM zhluky granúl tvoria rozety; výskyt: hepatocyty, priečne pruhované svalové vlákna; zobrazené aj ako PAS-H farbenie v LM.
Zväzok proteínov – sekrečné granuly; exocytóza; veľkosť 0,2–2 µm; rôzny chemický obsah a farbenie.
Zobrazenia: DNA v jadrách epitelových buniek – vagína (ŽH+E); mozoček (H-E) – hruškovitý tvar; miecha (H-E) – hviezdicovitý tvar; mitochondrie v obličkách (Regaud).
Glykogén v pečeni – PAS-H; hepatocyty; dvojjadrová bunka.
Pigmentový epitel sietnice – bez farbenia.
Purkinjeho bunky – hruškovitý tvar; dendrites.
Tenké črevo – mitózové figúry.
Endoplazmatický retikulum a Nisslova substancia – motorické neuróny miechy.
ER a GA – význam pre proteínovú biosyntézu a posttranslačné modifikácie.
DNA a preparáty – konkrétne lokality
Preparáty DNA – jadrá epitelových buniek, vagína (ŽH-E).
Obrázky: DNA v jadrách epitelových buniek – vagína – zobrazené farbením ŽH + E (hematoxylín a eozín).
EM a LM – porovnanie zobrazení jadrovej štruktúry.
Mitochondrie – štruktúra a funkcie
Mitochondrie (chondriom) – prítomné v bunkách; stavba:
Vonkajšia mitochondriálna membrána – bohatšia na fosfolipidy a cholesterol; punctuated s porínom – permeabilita.
Vnútorná mitochondriálna membrána – obsahuje enzýmy dýchacieho reťazca a oxidatívnej fosforylácie; ATP syntáza (F{0}F{1}- ATP syntetáza).
Intermembránový priestor – medzi membránami.
Intrakristálny priestor – veľké mitochondriálne granuly, Ca^{2+} a Mg^{2+} ióny; malé mitochondriálne granuly (DNA, rRNA, tRNA).
Mitochondrie – kristálneho typu (chondriom).
Funkcia: bunkový energetický metabolizmus; Krebsov cyklus a β-oxidácia mastných kyselín pre tvorbu ATP.
EM ukazuje mitochondriálne štruktúry – kristy a interneorganické priestory.
Endoplazmatický retikulum a Nisslova substancia (detail)
gER rozhodujúci pre syntézu proteínov a transport do GA; ribozómy na povrchu; ako súčasť neuronálneho serózu – Nisslova substancia – bazofilné hrudky v cytoplazme neurónov (motorické neuróny miechy).
ER – ER bazálny význam v proteosyntéze a biosyntéze lipidov.
JSON a vizuálne poznámky
EM vs LM – žiadna striktná hraničná metóda; gER – Nisslova substancia v neurónoch; ergastoplazma v seróznych žľazách.
Základy histológie a praktické implikácie
Porovnanie membránových a membránou neohraničených štruktúr pomáha chápať lokalizáciu funkcií buniek (proteínová syntéza, transport, skladovanie a degradácia).
Definície a pojmy používané vo fyziologickej a patologickej diagnostike: heterochromatín vs euchromatín – transkripčná aktivita jadra; nukleoly – rRNA syntéza; lyzozómy – degradácia, autophagocytóza; lipofuscín – pigment z opotrebovania v dlhodobo prežívajúcich bunkách.