Клітина — це високоорганізована, саморегулююча структурно-функціональна одиниця живого організму, здатна до активного обміну з навколишнім середовищем . В клітині виділяють наступні ультраструктури:
- Ядро : оболонка з ядерними порами, каріоплазма, ядерця та перинуклеарний простір;
- Цитоплазма : гіалоплазма з різними органелами і включеннями:
Органели мембранного походження:
- мітохондрії;
- комплексГольджі;
- агранулярната гранулярна ендоплазматична сітка;
- лізосоми- первинні, вторинні: цитолізосоми та фаголізосоми залишкові тільця;
Органели немембранного походження:
- вільні рибосоми і полісоми;
- центросома;
- мікротрубочкиі мікрофіламенти;
- спеціалізовані структури або мікрофіламенти – нейрофібрили, міофібрили, тонофібрили, мікроворсинки, війки і джгутики;
- Включення: трофічні, екскреторні, пігментні.
- Цитоплазматична мембрана
Внутрішньоклітинні структури не єстатичними. В процесі життєдіяльності клітини відбувається постійне їх нєпоновлення. Пошкодження окремих ультраструктур і навіть смерть окремих клітин, з яких побудовані різні тканини та органи, може бути проявом «фізіологічної норми». У відповідь на вплив патогенних чинників в клітині, можуть відбуватися різноманітні структурні зворотні (пристосування змінених умов) або незворотні зміни. Також у клітині можуть виникати специфічні субмікроскопічні зміни, що виявляються на макроскопічному рівні у вигляді певної нозологічної форми. В таких випадках говорять про хромосомні, лізосомні, пероксисомні та інші захворювання. Практично всі загальнопатологічні процеси мають свої ультраструктурні характеристики, які дозволяють їх диференціювати. Знання ультраструктурної патології дозволить глибше розуміти основи цих процесів.
Цитоплазматична мембрана представлена трьохшаровою структурою, яка складається з двох щільних листків. Зовнішня поверхня її представленатовстим шаром мукополісахаридів (глікокалікс). Внутрішня поверхня контактує з елементами клітини і сформована лабільними білками, які забезпечують цілісність мікрофіламентів і мікротрубочок. У цитоплазматичній мембрані розташовані рецептори гормонів та інших біологічно активних речовин, котрі впливають на функцію і реактивність клітин; локалізуються різні протеїни, молекули мукополісахаридів і специфічні білки, які визначають її спроможність до проникності та антигенні властивості. Мембрана відіграє основну роль в міжклітинних комунікаціях як шляхом утворення спеціалізованих міжклітинних контактів, так і шляхом передавання сигналів.
Патологія мембран клітини може проявлятися у вигляді пошкодження їх форми і величини та супроводжуватися порушеннями синтезу і обміну мембран, змінами її проникності, порушеннями мембранного транспорту, альтерації клітинних сполучень, комунікації клітин та їх «розпізнавання».
Пошкодження форми і величини цитоплазматичної мембрани морфологічно виявляється у вигляді деформації чи атрофії спеціалізованих структур, збільшенні кількості, довжини і площі мембранних структур, атрофії клітинної мембрани з появою щілин або розривів та формування спеціальних патологічних структур. Структурні зміни клітинної мембрани супроводжується порушенням її проникності. Пошкодження структурної цілісності цитоплазматичної мембрани призводить до некрозу клітини. Обмежене (локальне) пошкодження може бути відновлене, однак з деякою втратою мембрани.
Порушення«бар’єрної» функції супроводжується зайвим надходження води до клітини і розвитком вакуольної або гідропічної дистрофії. Патологія міжклітинних контактів може проявлятися в їх збереженні в тих випадках, коли вони зобов’язані були зникнути у процесі дозрівання клітини (наприклад, в епідермісіпри паракератозі) та в розпаді тих клітинних сполучень, які повинні існувати в нормі. При цьому клітини втрачають зв’язок між собою. Цей стан може бути викликаний зменшенням кількості іонів кальцію в позаклітинній рідині або впливом на клітинну мембрану фосфоліпаз. Розділені клітини мають потовщену плазматичну мембрану. Альтерація клітинних контактів закономірно спостерігається у процесі канцерогенезу.
Зміни «розпізнавання»зустрічаються при різних патологічних процесах (запалення, регенерація, пухлинний ріст). При зникненні характерних для даного типу клітин антигенів можуть з’являтися аномальні антигени. Зміни глікопротеїдів мембрани роблять її більш доступною до дії антитіл. Цитоплазматична мембрана приймає участь в імунних процесах. На її поверхні можуть фіксуватися антитіла, що призводить до конфлікту антиген – антитіло.
Цитоплазма – це основна за об’ємом частина клітини . За фізичними властивостями це напіврідка маса колоїдної структури – цитозоль , в якій знаходяться всі клітинні органели . Цитозоль усвою чергу складається з води, солей, органічних молекул і багатьох ферментів, що каталізують хімічні реакції у клітині. Цитоплазма грає важливу роль в клітині, служачи середовищем, в якому розташовані органели і яке забезпечує протікання багатьох хімічних реакцій та постачанні необхідних речовин до різних частин клітини.
Збільшення щільності цитозолю виявляють при гіпоксії, інтоксикації, дії вірусів, іонізуючої радіації, впливі високої температури, електричного струма тощо. Відбувається зменшення вмісту в води, денатурація білків, ущільнення мітохондріального матриксу і нуклеоплазми.
Зменшення щільності цитозолю може бути пов’язане із зменшенням або припиненням білкового синтезу, а також із проникненням в цитоплазму води.
Мітохондрія — мембранна органела, присутня у більшості клітин еукаріот. Мітохондрії іноді називають «клітинними електростанціями», тому що вони перетворюють молекули поживних речовин на енергію у формі АТФ через процес відомий як окислювальне фосфорилювання. Мітохондрії містять так звану мітохондріальну ДНК, незалежну від ДНК, розташованої у ядрі клітини. Мітохондрія оточена внутрішньою і зовнішньою мембранами, складеними з подвійного шару фосфоліпідів і білків. Внутрішня мембрана розділяється на численні кристи, які розширюють зовнішню область внутрішньої мітохондріальної мембрани, збільшуючи її здатність виробляти АТФ. Простір в межах внутрішньої мембрани називають мітохондріальною матрицею. Мітохондрії безпосередньо приймають участь в обміні через цикл Кребса і системи транспорту електронів дихального ланцюга.
Пошкодження мітохондрій проявляються у збільшенні їх числа і розмірів, утворенні мегамітохондрій, зміні форми та зміні структури крист мітохондрій. Збільшення числа мітохондрій виявляється появою в цитоплазмі клітин оксифільних гранул. Такі клітини відомі як онкоцити. Вони мають багату цитоплазму, ядро в них часто відсунуте до периферії. Онкоцити виявляються частов щитовидній, слинних, бронхіальних і молочних залозах. В секреторних клітинах онкоцитарна трансформація свідчить про зміну білкового синтезу.
Мегамітохондрії (гігантські мітохондрії) зустрічаються, наприклад, в гепатоцитах при цирозах печінки, в епітеліальних клітинах канальців нирок при нефротичному синдромі, при інтоксикації бромідами тощо. Після усунення інтоксикації вже через декілька годин відбувається повернення до норми гігантських мітохондрій. Зміна форми мітохондрій найчастіше зумовлена їхнім набуханням, яке пов’язане з проникненням води. Набухання необхідно диференціювати від збільшення об’єму мітохондрій (мегамітохондрії). Набухання мітохондрій спостерігається при найрізноманітніших станах: голодуванні, гіпоксії, інтоксикаціях, тощо.
Зміни структури крист мітохондрій проявляються в деформації крист, зменшенні та збільшені їх числа. Зміни структури щільних гранул мітохондріального матриксу проявляється у збільшенні їх в об’ємі, що спостерігають в клітинах, перенасичених іонами кальцію. Гіпертрофія (збільшення в обсязі) цих гранул виявлена при ішемії міокарда, зменшення або зникнення щільних гранул відбувається в онкоцитах, гепатоцитах і клітинах кишкового епітелію при ішемії.
Ендоплазматична сітка в цитоплазмі утворює численні сплетення із щілин та каналів. Вона бере участь у формуванні ядерної мембрани і апарату Гольджі. Вперше ендоплазматичний ретикулум був виявлений канадськими вченими Кітом Портером, Альбертом Клодом і Ернстом Фулламом в 1945 році за допомогою електронної мікроскопії. Функція мембран, які формують сітку, різноманітна залежно від її зв’язку з рибосомами: грануляційна ендоплазматична сітка (шорсткий ретикулум) — це місце білкового синтезу, що складає основу клітинної секреції білка, тоді як агрануляційна ендоплазматична сітка (гладкий ретикулум) відіграє роль у синтезі вуглеводів, метаболізмі стероїдів і різноманітних токсичних субстанцій, які необхідно нейтралізувати. Вона також має відношення до метаболізму глікогену.
В умовах патології можна спостерігати два види морфологічних змін — гіперплазію та атрофію ендоплазматичної сітки. Гіперплазія ендоплазматичної сітки, тобто збільшення її кількості може супроводжуватися утворенням концентричних структур, які в світловому мікроскопі часто видно як ділянки еозинофільної цитоплазми. Подібні зміни неспецифічні і спостерігаються при дії фосфору, прогестерону, при вірусних інфекціях або пухлинах. Атрофія ендоплазматичної сітки, тобто зменшення її розмірів, супроводжується зниженням білково-синтетичної функції клітини (при голодуванні, хворобах печінки, старінні).
Апарат Гольджі утворений сплющеними вакуолями, які містять секреторні гранули і анастомозами, які взаємозв’язані з ендоплазматичною сіткою. Величина апарату Гольджі зв’язана з синтетичною активністю клітини і зумовлена рівнем зовнішньої секреції, наприклад, в печінцічи підшлунковій залозі, та інтенсивністю синтезу, необхідною для життєдіяльності самої клітини, наприклад, в нейронах.
Морфологічні прояви порушень секреторної функції виражаються або у вигляді гіперплазії пластинчастого комплексу, тобто збільшення площі його мембран і кількості секреторних гранул, або у вигляді атрофії пластинчастого комплексу, що супроводжується зменшенням вакуоль і втратою секреторних гранул. Гіперплазія апарату Гольджі звичайно поєднується з гіперплазією ендоплазматичної сітки. Якщо синтез тих або інших речовин випереджає їх секрецію і виведення, то ці речовини накопичуються в апараті Гольджі і можуть його пошкоджувати. Наприклад, накопичування жовчі в гепатоцитах при холестазі. Атрофія апарату Гольджі свідчить про зниження його функціональної активності. Однією з причин такого зниження може бути білкове голодування, а також порушення взаємодії пластинчастого комплексу з ендоплазматичною сіткою.
Лізосома – одномембранна органела сферичної форми. Основна її функція – перетравлення відмерлих решток клітини. Була відкрита бельгійським цитологом Крістіаномде Дювом в 1949 році. Лізосоми забезпечують цілісність біологічної рівноваги, порушеної агресивними агентами при численних процесах —запаленні, імунному захисті тощо. Первинні лізосоми, які є похідними ендоплазматичної сітки та комплексу Гольджі, мають вигляд поліморфних гранул, котрі оточені ліпопротеїдною мембраною. Вони здатні руйнувати протеїни, ліпіди, полісахариди та нуклеїнові кислоти. Первинні лізосоми об’єднуються з іншими вакуолями, викидаючи свій вміст в них, і утворюють вторинні лізосоми (пінолізосоми, фаголізосоми та аутофаголізосоми). Вони досить поліморфні і багаті на кислу фосфатазу. Якщо процес перетравлювання повністю нездійснюється, в них утворюються залишкові тільця або телолізосоми (третиннілізосоми).
Патологія лізосом проявляється у вигляді пошкодження лізосомальних мембран, недостатності лізосомних ензимів та феномену накопичення речовин у лізосомах. Пошкодження лізосомальних мембран у вигляді тріщин і розривів може спостерігатися при дії іонізуючої радіації, шоку, отруєнні, недостатності вітамінів і гіпервітамінозі А, дії бактеріальних ендотоксинів тощо. У цих випадках ферменти лізосоми потрапляють у клітину, що призводить до її некрозу. Існують стабілізатори лізосомної мембрани, які захищають її від зовнішньогов пливу. До них відносяться холестерол, кортикоїди, вітамін Е в малих дозах, антигістамін. Лізосоми продукують інактиватори патогенних агентів, наприклад, при запаленні, імунних реакціях, інтоксикації. Коли ця функція надмірна, лізосоми стають анормальними і розтягненими. Недостатність лізосомних ферментів має спадковий характер. Дефіцит ензимів спостерігається при глікогенозах, ліпідозах, гепатозах. Ці стани називають «лізосомними хворобами», термін відображає генетичний дефіцит лізосомних ферментів, а не власне пошкодження лізосом. Феномен накопичування в лізосомах лежить в основі хвороби Вільсона, приякій накопичується мідь, і гемохроматозу, що супроводжується накопичуванням феритину.
Пероксисоми – це субмікроскопічні гранули, що містять безліч ензимів, які каталізують оксидативні реакції . Морфологічно пероксисоми дуже різноманітні. Вони можуть мати вигляд ізольованих сферичних тілець, трубочок, або, навіть, тісно переплетеного ретикулуму. Пероксисоми вперше були виявлені у 1965 р. Крістіаном Де Дювом.
Патологія пероксисом виявляється у збільшенні (в гепатоцитах при застосуванні деяких медикаментів, вірусному гепатиті, лептоспірозі) або зменшенні їх кількості (у печінці при запаленні, при пухлинному рості) та у зміні структури (при хворобі Вільсона). Виділяють пероксисомні хвороби, це спадкові синдроми, для яких характерна недостатність ферментів пероксисом. Клінічним проявом недостатності пероксисом є порушення синтезу жовчних кислот.
Рибосома є немембранною органелою клітини, що складається з РНК та рибосомних білків. Рибосома здійснює біосинтез білків транслюючи РНК в поліпептидний ланцюг. Рибосоми можуть бути вільно плаваючими в цитоплазмі або прикріпленими до цитоплазматичного боку мембран ендоплазматичної сітки чи ядра. Активні (ті що є в процесі трансляції) рибосоми знаходяться переважно у вигляді полісом. Рибосоми було виявлено на початку 1950-тих років. Перше глибоке дослідження та опис рибосом, як клітинних органел, було здійснене Джорджем Паладе. Рибосоми складаються з двох субодиниць: однієї великої та однієї малої. Для процесу трансляції необхідна злагоджена взаємодія обох субодиниць.
В умовах патології рибосоми можуть будувати добре окреслені геометричні фігури. Наприклад, в пухлинних клітинах лімфоми вони мають вигляд спіралі. Аналогічні зміни спостерігаються в клітинах при гіпотермії, при кисневому голодуванні та дефіциті білка в організмі. Генетичні дефекти рибосомних білків та факторів біогенезу рибосом є летальними на ранніх ембріональних стадіях розвитку. Існує ряд свідчень що пов`язують ракову трансформацію клітин ссавців з розладами трансляційної системи загалом та розладами системи біогенезу рибосом зокрема.
Мікротрубочки містять комплекси фібрилярних структур,які виконують опорну, транспортну, скоротливу і рухову функції. Для деяких органел характерне сполучення мікротрубочок у групи. Існують генетичні аномалії числа або розташування груп мікротрубочок, які супроводжуються нерухливістю війок . Наприклад, природжений синдром, при якому війки покривного епітелію дихальних шляхів і слизової оболонки середнього вуха нерухливі або малорухливі, що призводить до хронічного запалення дихальних шляхів і середнього вуха. Це також спостерігають в бронхах при інфекційних бронхітах або у курців, у генітальному тракті при хронічних запальних захворюваннях тощо.
Мікрофіламенти – актинові філаменти і міозин. Збільшення мікрофіламентів знаходять в клітинах при загоєнні ран, в пухлинах, в епітелії жовчних проток при біліарному цирозі печінки. Проміжні філаменти спеціалізовані залежно від типу клітин. Однак, в клітинах одного і того ж походження можуть зустрічатися проміжні філаменти різного типу. До проміжних філаментів відносяться: цитокератини — в епітеліальних клітинах, десмін — в м’язових клітинах, віментин — в мезенхімальних клітинах, нейрофіламенти — в клітинах центральної і периферійної нервової системи, гліальні філаменти — в клітинах глії. Патологія проміжних філаментів пов’язана з їхнім накопичуванням у клітині, що спостерігається при деяких формах кардіоміопатій.
Ядро – клітинна органела, містить ядерні гени , які складають більшу частину генетичного матеріалу. Ядро має дві первинні функції: керування хімічними реакціями в межах цитоплазми і збереження інформації, потрібної для поділу клітини. Ядро було відкрито близько 1833 ботаніком Робертом Брауном .Окрім клітинного геному, ядро містить певні білки, які регулюють зчитування генетичної інформації. Зчитування гена на ядерному рівні залучає складні процеси транскрипції , обробки первинної РНКі експорт зрілої РНК до цитоплазми. Ядро оточено подвійною мембраною, яка називається ядерною оболонкою. Крізь внутрішню і зовнішню мембрани на деяких інтервалах проходять ядерні пори. Ядерна оболонка регулює і полегшує транспорт між ядром і цитоплазмою. Зовнішня мембрана безперервна з гранулярною ендоплазматичною сіткою і може мати зв’язані рибосоми . Внутрішня частина ядра містить одне або декілька ядерець, оточених матрицею, яка називається нуклеоплазмою. Нуклеоплазма – гелеподібна рідина, в якій розчинені багато речовин (нуклеотид-тріфосфати, сигнальні молекули, ДНК, РНК, білки ).
Генетичний матеріал присутній в ядрі увигляді хроматину(комплекс білка і ДНК). Базофільне забарвлення хроматину зумовлене вмістом у ньому ДНК. Є два види хроматину: еухроматин і гетерохроматин. Еухроматин – менш компактна форма ДНК, області ДНК які знаходяться у формі еухроматину містять гени, які часто зчитуються клітиною. У гетерохроматині ДНК більш компактно упакована. Області ДНК які знаходяться у формі гетерохроматину містять гени, які не зчитуються клітиною. Хроматин знаходиться у хромосомах. Кількість хромосом та характерні особливості їхньої будови – видова ознака. В ядрах соматичних клітин міститься повний подвійний набір хромосом (диплоїдний). Кратне збільшення числа набору хромосом в ядрах клітин називають поліплоїдія. Збільшення кількості поліплоїдних клітин дуже часто зустрічається в усіх органах, наприклад, при старості, при репаративній регенерації в печінці, при гіпертрофії міокарда, при пухлинному рості. Анеуплоїдія – стан, при якому зустрічається в ядрах неповний набір хромосом, зумовлений хромосомними мутаціями, виявляється у злоякісних пухлинах.
Мутації — зміни генетичного матеріалу (звичайно ДНК або РНК ). Мутації можуть бути викликані копіюванням помилок в генетичному матеріалі протягом поділу клітини, опроміненням радіацією , хімічними речовинами (мутагенами), вірусами або можуть відбуватися свідомо підклітинним контролем протягом таких процесів як, наприклад, мейоз або гіпермутація. Мутації можуть бути підрозділені на генеративні мутації, які можуть бути передані нащадкам, і соматичні мутації. У тварин соматичні мутації не можуть передаватися до нащадків. Зміни в ДНК, викликані мутацією, можуть викликати помилки в послідовності білка, створюючи частково або цілком не функціональні білки. Коли мутація змінює білок, який грає критичну роль в тілі, може виникнути захворювання. Захворювання, викликане мутаціями в одному або більше генах називається генетичним захворюванням. Якщо мутація присутня в зародковій клітині, вона може дати початок нащадку, який буде носити мутацію у всіх своїх клітинах. Це причина спадкових хвороб. Кожна клітина має цілий ряд шляхів, через які ферменти визнають і ремонтують помилки в ДНК. Оскільки ДНК може бути пошкоджена або видозмінюються у багатьох відношеннях, процес ремонту ДНК – важливий шлях, в якому тіло захищає себе від хвороби.
Пошкодження ядер можуть бути зворотними і незворотними (летальними). До зворотних змін відносять конденсацію хроматину (накопичування хроматину під мембраною ядра у вигляді маленьких грудочок), зміни ядерної мембрани, утворення вакуолей (інвагінація внутрішнього листка ядерної мембрани) та псевдовакуолей (внутрішньоядерна інвагінація цитоплазми), появу внутрішньоядерних включень(вірусні, глікогенові тощо). До незворотних морфологічних змін ядра відносять пікноз (зменшення, зморщення та ущільнення ядра), каріорексис (фрагментація та розпад ядра на окремі грудочки і частини) і каріолізис (розчинення хроматину та всієї субстанції ядра).
Ядерце – щільна структура в ядрі, де збираються елементи рибосом. У ядрі може бути одне або декілька ядерець. В умовах патології висока секреторна активність клітин часто супроводжується збільшенням кількості ядерець з їх вакуолізацією. У цих випадках говорять про ядерцеву гідропію.
Мітоз — поділ ядра еукаріотичної клітини із збереженням числа хромосом. Виділено чотири фази: профаза, метафаза, анафаза і телофаза. Подвоєння хромосом відбувається ще в ході інтерфази. В результаті цього, в мітоз хромосоми вступають вже подвоєними. У профазі відбувається конденсація хромосом, клітинний центр ділиться і продукти його поділу розходяться до полюсів ядра, руйнується ядерна оболонка, утворюється веретено поділу. У метафазі хромосоми розташовуються на «екваторі» в одній площині, утворюючи так звану метафазну пластинку. У анафазі хромосоми діляться і розходяться до полюсів ділення. У телофазі відбувається руйнування веретена поділу і утворення ядерної оболонки навколо дочірніх ядер.
Патологію мітозу спостерігають у вигляді уповільнення (у старіючих тканинах) або збільшення мітотичного ритму (у тканинах при різних видах запалення, гормональному впливові, в пухлинах), аномалій розвитку та морфології мітозів. Аномалії розвитку пов’язані з різким припиненням поділу на різних стадіях мітозу. Прикладом, такої патології є мітонекроз, що розвивається при блокаді мітозу в метафазі. Мітонекрози спостерігаються в пухлинній тканині, в осередках запалення з некрозом. Їх можна викликати за допомогою подофіліну, який застосовується при лікуванні злоякісних новоутворень. Морфологічні аномалії мітозів пов’язані з важкими метаболічними змінами клітин і можуть бути позначені як «абортивні мітози». Прикладом такої аномалії служить мітоз з анормальним числом і формою хромосом та мультиполярні мітози. Результатом аномального мітозу є утворення багатоядерних клітин.