Cilvēka šūnas uzbūve un organoīdi
Īsā atbilde
Cilvēka šūna (cellula) ir mazākā dzīvā vienība, kas spēj uzturēt sevi, atjaunoties un veikt specializētu uzdevumu. Tai ir trīs galvenās daļas: šūnas apvalks jeb plazmatiskā membrāna, kodols ar iedzimtības informāciju un citoplazma ar tajā izvietotajiem organoīdiem. Katrs organoīds ir atsevišķa darbnīca ar savu uzdevumu, un tieši šī darba dalīšana ļauj vienai šūnai vienlaikus ražot olbaltumvielas, iegūt enerģiju, atbrīvoties no atkritumiem un sazināties ar kaimiņiem.
Cilvēka organismā ir simtiem šūnu veidu, un to izskats atšķiras krasi: nervu šūnai ir gari izaugumi, sarkanajai asins šūnai vispār nav kodola, bet muskuļšķiedrai ir daudz kodolu vienā šūnā. Neraugoties uz to, visu šo šūnu pamatplāns ir vienāds, un atšķiras galvenokārt tas, kuri organoīdi ir īpaši izteikti.
Šī sakarība ir praktiski noderīga. Aizkuņģa dziedzera šūna, kas izdala gremošanas fermentus, ir pārpildīta ar grubuļaino endoplazmatisko tīklu. Sirds muskuļa šūnā dominē mitohondriji. Virsnieru garozas šūnā izceļas gludais endoplazmatiskais tīkls, jo tur notiek steroīdu sintēze. Pēc organoīdu sastāva var nolasīt, ko šūna dara.
Šūnas iekšiene nav šķidruma pilna telpa, kurā organoīdi peld nejauši. Visu notur un pārvieto citoskelets, proti, olbaltumvielu šķiedru tīkls, kas darbojas vienlaikus kā karkass, kā sliedes un kā muskulis. Pa šīm sliedēm motorolbaltumvielas pārvieto pūslīšus ar kravu no viena šūnas gala uz otru.
Visbeidzot, šūna ir atvērta sistēma. Tā nepārtraukti apmainās ar vielām un signāliem, un tās membrānā esošie receptori saņem hormonu, mediatoru un kaimiņu šūnu ziņas. Liela daļa medicīnas, sākot no zāļu darbības un beidzot ar audzēju bioloģiju, ir notikumi tieši šajā līmenī.
Plazmatiskā membrāna: robeža ar izvēles tiesībām
Šūnas apvalku veido divkārša fosfolipīdu kārta, kuras ūdeni mīlošie gali vērsti uz āru un uz iekšu, bet ūdeni atgrūdošie gali savā starpā saskaras. Starp tiem iegulst holesterīna molekulas, kas nosaka membrānas plūstamību, un daudz dažādu olbaltumvielu.
Tieši olbaltumvielas nosaka, ko membrāna spēj. Kanāli ļauj joniem plūst pa koncentrācijas gradientu, sūkņi tos pārvieto pretēji gradientam, tērējot enerģiju, receptori saņem signālus, bet adhēzijas molekulas savieno šūnu ar kaimiņiem un starpšūnu vielu. Uz ārējās virsmas piestiprinātas ogļhidrātu ķēdes veido tā saukto glikokaliksu, kas kalpo šūnas identitātes zīmei.
Membrāna nav siena, bet gan plūstoša mozaīka: tās sastāvdaļas nepārtraukti pārvietojas. Šī plūstamība ir priekšnoteikums tam, lai šūna varētu mainīt formu, dalīties, uzņemt daļiņas un saplūst ar pūslīšiem.
Kodols un iedzimtības informācija
Kodolu (nucleus) ieskauj divkārša membrāna ar porām, pa kurām notiek kontrolēta apmaiņa ar citoplazmu. Iekšpusē atrodas hromatīns, proti, DNS kopā ar olbaltumvielām, kas to satin un regulē pieeju gēniem. Šūnas dalīšanās laikā hromatīns sablīvējas hromosomās.
Kodolā redzamais blīvākais laukums ir kodoliņš (nucleolus). Tur notiek ribosomu sastāvdaļu izgatavošana. Šūnās, kas ražo daudz olbaltumvielu, kodoliņš ir liels un labi redzams, un patologi to izmanto kā vienu no šūnu aktivitātes pazīmēm.
Ne visām šūnām kodols saglabājas. Nobriedušai sarkanajai asins šūnai kodola nav vispār, kas atbrīvo vietu hemoglobīnam, bet vienlaikus nozīmē, ka tā vairs nespēj sintezēt jaunas olbaltumvielas un tās mūžs ir ierobežots. Acs lēcas šķiedras iet līdzīgu ceļu, lai kļūtu caurspīdīgas.
Galvenie organoīdi un to uzdevumi
Tabula apkopo biežāk minētos organoīdus, to galveno funkciju un piemēru tam, kas notiek, ja šī funkcija ir traucēta.
| Organoīds | Galvenā funkcija | Piemērs traucējumam |
|---|---|---|
| Mitohondriji | Enerģijas iegūšana ATF veidā | Mitohondriālās slimības ar muskuļu vājumu |
| Grubuļainais endoplazmatiskais tīkls | Olbaltumvielu sintēze un locīšana | Nepareizi salocītu olbaltumvielu uzkrāšanās |
| Gludais endoplazmatiskais tīkls | Lipīdu un steroīdu sintēze, kalcija krātuve | Zāļu vielmaiņas un kalcija regulācijas traucējumi |
| Lizosomas | Vielu noārdīšana un atkārtota izmantošana | Lizosomu uzkrāšanās slimības |
Ražošanas līnija: no gēna līdz izdalītai olbaltumvielai
Olbaltumvielu ceļš šūnā ir viena no skaidrāk organizētajām ražošanas ķēdēm bioloģijā. Katrs posms notiek citā nodalījumā, un kļūme jebkurā no tiem rada atpazīstamas slimības.
- Kodolā no gēna tiek nolasīta informācijas RNS un caur kodola porām nonāk citoplazmā.
- Ribosomas nolasa šo informāciju un savieno aminoskābes ķēdē.
- Izdalāmās olbaltumvielas nonāk grubuļainā endoplazmatiskā tīkla iekšienē, kur tās saloka un pārbauda kvalitāti.
- Pūslīši nogādā tās Goldži kompleksā, kur notiek galīgā apstrāde un šķirošana.
- Sašķirotās olbaltumvielas tiek nosūtītas uz lizosomām, uz membrānu vai izdalīšanai ārpus šūnas.
- Nederīgās un bojātās olbaltumvielas tiek iezīmētas un noārdītas proteasomās vai lizosomās.
Mitohondriji un enerģija
Mitohondrijiem ir divas membrānas, un iekšējā ir dziļi ielocīta, veidojot kristas. Tieši uz šīs virsmas darbojas elpošanas ķēde, kurā barības vielu oksidēšanās enerģija tiek pārveidota adenozīntrifosfāta ķīmiskajās saitēs.
Mitohondrijs ir vienīgais organoīds ārpus kodola, kuram ir sava DNS. To cilvēks manto tikai no mātes, jo apaugļošanā tēva mitohondriji praktiski nepiedalās. Šī iezīme izskaidro, kāpēc mitohondriālās slimības pārmantojas pa mātes līniju un kāpēc to izpausme vienas ģimenes locekļiem var stipri atšķirties.
Mitohondriju skaits vienā šūnā atkarīgs no tās enerģijas patēriņa: sirds muskulī un nieru kanāliņu šūnās to ir daudz, bet mazaktīvās šūnās maz. Mitohondriji arī piedalās programmētajā šūnas nāvē, izdalot signālvielas, kas iedarbina apoptozi.
Citoskelets, skropstiņas un šūnas kustība
Citoskeletu veido trīs šķiedru veidi. Aktīna mikrofilamenti nodrošina šūnas formas maiņu, kustību un dalīšanās laikā veido saraušanās gredzenu. Starpfilamenti, piemēram, keratīns ādā, dod mehānisku izturību. Mikrocaurulītes darbojas kā sliedes organoīdu pārvietošanai un kā vārpstas aparāts dalīšanās laikā.
No mikrocaurulītēm veidotas arī skropstiņas un spermatozoīda astīte. Elpceļu šūnu skropstiņas sinhroni virza gļotas uz augšu, olvada skropstiņas virza olšūnu uz dzemdi. Ja šo struktūru olbaltumvielas ir bojātas, rodas primāra skropstiņu diskinēzija ar hroniskām elpceļu infekcijām un auglības traucējumiem.
Atsevišķi minamas centriolas, kas organizē mikrocaurulīšu tīklu un dalīšanās vārpstu. To darbības kļūmes noved pie nepareiza hromosomu sadalījuma starp meitas šūnām.
- Aktīna mikrofilamenti: formas maiņa, kustība, dalīšanās gredzens.
- Starpfilamenti: mehāniska izturība audos, kas pakļauti stiepei.
- Mikrocaurulītes: transporta sliedes un dalīšanās vārpsta.
- Skropstiņas: gļotu un šķidrumu virzīšana pa virsmu.
- Centriolas: mikrocaurulīšu tīkla organizēšana.
Kā šūnas mainās mūža laikā
Ne visas šūnas dzīvo vienādi ilgi un ne visas spēj dalīties. Zarnu gļotādas un ādas šūnas nomainās pastāvīgi, aknu šūnas dalās pēc vajadzības, bet nervu šūnas un sirds muskuļa šūnas atjaunojas ļoti ierobežoti. Tieši tāpēc sirds infarkta vai insulta vietā veidojas rēta, nevis jauni funkcionāli audi.
Ar gadiem šūnās uzkrājas bojātas olbaltumvielas un mitohondriji, samazinās atkritumu pārstrādes efektivitāte, un daļa šūnu nonāk tā sauktajā novecošanas stāvoklī: tās vairs nedalās, bet paliek dzīvas un izdala iekaisuma signālvielas. Šis process tiek uzskatīts par vienu no audu novecošanas mehānismiem.
Pretējs risks ir dalīšanās kontroles zudums. Audzējs pēc būtības ir šūnu kopa, kurā ir bojāti dalīšanās bremzēšanas un programmētās nāves mehānismi. Tieši tāpēc mūsdienu pretvēža ārstēšanā mērķi bieži ir konkrētas signālu olbaltumvielas šūnas iekšienē.
Kā šūnas pēta un izmeklē
Ikdienas medicīnā šūnas skata vairākos veidos. Gaismas mikroskopijā ar krāsotiem preparātiem vērtē audu uzbūvi un šūnu formu; tā ir citoloģisko un histoloģisko izmeklējumu pamatā. Elektronmikroskopija ļauj redzēt pašus organoīdus un tiek izmantota, piemēram, nieru biopsiju un skropstiņu slimību izmeklēšanā.
Imūnhistoķīmija izmanto iezīmētas antivielas, lai parādītu konkrētas olbaltumvielas audos, un tā ir izšķiroša audzēju diagnostikā. Plūsmas citometrija šķiro un skaita šūnas pēc to virsmas iezīmēm, ko izmanto asins slimību un imūnsistēmas izmeklēšanā. Ģenētiskie izmeklējumi savukārt strādā ar kodola vai mitohondriju DNS.
Ar šūnu līmeņa diagnozēm strādā patologs, bet ārstēšanu vada atbilstošās jomas ārsts: hematologs, onkologs, ģenētiķis vai neirologs atkarībā no slimības.
Detaļa, ko vērts zināt
Lielākā daļa mitohondriju olbaltumvielu ir kodētas nevis mitohondrija paša DNS, bet gan kodola DNS. Tas nozīmē, ka mitohondriālas slimības var pārmantoties gan pa mātes līniju, gan pēc parastajiem kodola gēnu likumiem. Tieši šī divējādība izskaidro, kāpēc šo slimību ģenētiskā izmeklēšana ir sarežģīta un kāpēc ģimenes anamnēze bieži izskatās neskaidra.
Otra nenovērtēta lieta ir autofāgija, proti, šūnas spēja pati sagremot savas bojātās daļas un izmantot to sastāvdaļas no jauna. Šis process ir īpaši aktīvs badošanās un slodzes apstākļos un tiek uzskatīts par vienu no šūnas tīrības uzturēšanas mehānismiem. Tā traucējumi saistīti ar neirodeģeneratīvām slimībām, kurās uzkrājas nepareizi salocītas olbaltumvielas.
Treškārt, šūnas nāve nav vienveidīga notikums. Apoptoze ir sakārtota, enerģiju patērējoša pašiznīcināšanās bez iekaisuma, savukārt nekroze ir šūnas sabrukums ar satura izplūšanu un iekaisuma reakciju. Atšķirība ir klīniski svarīga: tieši nekrozes izraisītais iekaisums nosaka lielu daļu bojājuma pēc infarkta vai traumas.
Bieži uzdotie jautājumi
Kādas ir cilvēka šūnas galvenās daļas?
Tās ir trīs: plazmatiskā membrāna, kas norobežo šūnu un kontrolē vielu apmaiņu, kodols, kurā atrodas DNS, un citoplazma ar organoīdiem. Organoīdi ir specializēti nodalījumi, tostarp mitohondriji, endoplazmatiskais tīkls, Goldži komplekss un lizosomas. Visu kopā notur citoskelets.
Kāpēc mitohondrijus sauc par šūnas spēkstacijām?
Tajos norit elpošanas ķēde, kurā barības vielu oksidēšanās enerģija tiek pārvērsta adenozīntrifosfātā, proti, universālā šūnas enerģijas valūtā. Bez šī procesa šūna spēj iegūt tikai nelielu daļu enerģijas. Tieši tāpēc sirds un nieru šūnās, kas patērē daudz enerģijas, mitohondriju ir īpaši daudz.
Vai visām cilvēka šūnām ir kodols?
Nē. Nobriedušai sarkanajai asins šūnai kodola nav, kas atbrīvo vietu hemoglobīnam, bet arī nozīmē, ka tā nespēj sintezēt jaunas olbaltumvielas. Savukārt skeleta muskuļa šķiedrā ir daudzi kodoli vienā šūnā. Pārējām šūnām parasti ir viens kodols.
Kāpēc mitohondriju DNS manto tikai no mātes?
Apaugļošanā olšūna nodrošina gandrīz visu šūnas citoplazmu, bet spermatozoīda mitohondriji embrijā praktiski nenonāk vai tiek noārdīti. Tāpēc mitohondriju DNS nāk no mātes. Ar to saistītās slimības tāpēc tiek nodotas pa mātes līniju, lai gan daudzas mitohondriju olbaltumvielas kodē arī kodola gēni.
Kas notiek, ja bojātas lizosomas?
Lizosomas noārda nolietotas šūnas sastāvdaļas un uzņemtās vielas. Ja trūkst kāda no to fermentiem, attiecīgā viela uzkrājas šūnās, un rodas lizosomu uzkrāšanās slimība. Šādas slimības ir iedzimtas, bieži skar nervu sistēmu, aknas un liesu, un tās izmeklē ģenētiķis kopā ar attiecīgās jomas speciālistu.
Kāda ir atšķirība starp apoptozi un nekrozi?
Apoptoze ir sakārtota, kontrolēta šūnas pašiznīcināšanās, kurā saturs tiek iepakots un aizvākts bez iekaisuma. Nekroze ir šūnas sabrukums, kurā saturs izplūst audos un izraisa iekaisuma reakciju. Tāpēc apoptoze ir normāla audu atjaunošanās daļa, bet nekroze parasti liecina par bojājumu.