Патологія ядра

Ядро клітини (лат. nucleus, гр. karyon) - невід’ємна складова частина клітин (рис.1.2.1.15), яка вміщує основну масу дезоксирибонуклеїнової кислоти (ДНК) - основного носія генетичної інформації. Виконуючи генетичну функцію, ядро разом з цим забезпечує й метаболічну, яка, головним чином, пов’язана з транскрипцією, котра здійснюється хромосомними мікрофібрилами (синтез іРНК) і ядерцем (синтез РНК і збірка попередників рибосом).

Патологія клітинного ядра структурно проявляється великою низкою різноманітних змін, а саме: кількістю, формою, розмірами ядер та ядерець, появою різних включень ядра, патологією мітозів та хромосом.

Форма і кількість ядер. Усі клітини організму переважно мають одне ядро, розташоване поблизу центру або в базальній частині цитоплазми (клітини залоз чи високопризматичний епітелій). Без’ядерними клітинами є високоспеціалізовані клітини крові ссавців - еритроцити й тромбоцити, що втратили ядро в процесі еволюції.

Зміна кількості ядер в клітині є ознакою патології і може проявлятися багатоядерністю, появою „супутників” ядра та без’ядерністю. Наприклад, багатоядерність клітин відмічається в туберкульомі (гігантські клітини Пирогова-Лангханса, велетенські багатоядерні клітини чужорідних тіл). Утворення багатоядерних клітин спостепрігається при порушеннях мітозу (поділ ядер без наступного поділу цитоплазми, що експериментально вивчено після опромінення, при введенні цитостатиків та злоякісному рості).

„Супутники” ядра (каріомери, маленькі ядра) - це маленькі, подібні до ядра утворення, які мають відповідну структуру і оболонку і розташовані біля незміненого ядра. Такі „супутники” ядер виявляються в клітинах злоякісних пухлин при наявності великої кількості патологічних мітозів.

Крім без’ядерних клітин (еритроцити і тромбоцити ссавців), які є прижиттєвою ознакою, явище без’ядерності клітин свідчить про патологію, про загибель ядра, що проявляється каріопікнозом, каріорексисом, каріолізисом. Каріопікноз (karyopicnosis) - це зморщення ядерного матеріалу в однорідну інтенсивно зафарбовану масу. Ядро при цьому добре зафарбовується основними фарбами (гематоксилін, метиленовий синій, галоціанін) і при реакції Фольгена. Каріорексис (karyorhexis) - розрив ядра на фрагменти, які розсипаються в цитоплазмі. Каріолізис (karyolysis) - повне розчинення ядра, втрата ним здатності зафарбовуватися основними фарбами.

При патологічних станах спостерігається життєздатність частин цитоплазми, відділеної від клітини, наприклад, фрагменти цитоплазми пухлинних клітин. Фрагменти цитоплазми гранулоцитів під дією температурних чинників зберігають здатність хемотаксису та рухомості.

Форма ядер, як правило, сферична або еліпсоїдна. Поряд з такою формою є клітини, які мають паличкоподібну, бобоподібну, сегментоподібну чи неправильну форму.

Зміна форми ядра є суттєвою діагностичною ознакою. Трапляється поліморфізм - при гранулематозному запаленні і пухлинному рості (клітинний атипізм). Деформація ядер може бути зумовлена цитоплазматичними включеннями (перстнеподібні клітини слизового раку, гепатоцити при жировій дистрофії печінки). Форма ядра змінюється при множинних випинаннях його в цитоплазму.

Розміри і структура ядер в інтерфазі залежить від плоїдності і функціонального стану його.

Діаметр ядра в клітинах ссавців дорівнює 4-6 мкм. Співвідношення об’єму ядра і цитоплазми - відносно постійна величина для кожного типу клітин. У цілому об’єм ядра є видовою ознакою і залежить від вмісту ДНК, білків і води. Протягом життєвого циклу клітини ядра зберігаються в інтерфазі. У період мітозу ядро заміщається конденсованими хромосомами, сукупність яких носить назву „мітотичне ядро”. У період інтерфази в ядрі клітини розрізняють ядерну оболонку (нуклеолема, каріолема), нуклеоплазму (каріоплазму), ядерце, хроматин.

Відомо, що діаметр диплоїдних ядер менший, ніж тетраплоїдних, октоплоїдних - більший, ніж тетраплоїдних.

Переважна більшість клітин має диплоїдні ядра. У проліферуючих клітинах в період синтезу ДНК (S-фаза) вміст останньої збільшується в два рази, а в постмітотичний, навпаки, зменшується.

Поліплоїдія - це кратне збільшення числа наборів хромосом в ядрах клітин. Поліплоїдні клітини трапляються в нормально функціонуючих органах, тканинах і клітинах тварин: в печінці, нирках, міокарді, епідермісі, гігантських клітинах трофобласта, мегакаріоцитах. Збільшення числа поліплоїдних ядер спостерігається при репаративній регенерації (печінка), компенсаторній, регенераційній гіпертрофії (міокард), при пухлинному рості (причому в міру зниження диференціації пухлин плоїдність зростає).

Явищем, протилежним поліплоїдії, є анеуплоїдія - зміни, які проявляються в неповному наборі хромосом. Анеуплоїдія виявляється при злоякісному рості пухлин, причому при зростанні злоякісності збільшується число анеуплоїдних клітин.

Розмір ядер і ядерних структур незалежно від плоїдії визначається значною мірою функціональним станом клітин. Функціональний стан ядра відбиває характер і розподіл хроматину, який буває двох класів: гетерохроматин та еухроматин. Гетерохроматин - це конденсований (компактний) хроматин, який розміщений у зовнішніх відділах диплоїдних ядер і вважається малоактивним або неактивним. Він залишається компактним не тільки в мітозі, але й в інтерфазі.

Еухроматин - це неконденсований (пухкий) хроматин, достатньо активний, розташований в інших частинах ядра. Він визначає процеси транскрипції, тобто спрямовує процеси синтезу білка. Конденсація еухроматину відображає процеси інактивації активних ділянок транскрипції, що свідчить про патологічні явища. Конденсація еухроматинових структур нерідко трапляється при гіпоксії, що реєструється скручуванням хроматину біля внутрішньоядерної мембрани на ділянках між порами (гіперхроматоз стінки ядра, маргінізація ядра).

Структура і розміри ядерець (nucleolus) мають суттєве значення в оцінці морфофункціонального стану клітини. Число ядерець, їх розміри і форма варіюють залежно від виду клітин. Найбільш часто виявляється ядерце сферичної форми. Ядерця здатні зливатися одне з одним, тому в ядрі можуть бути або декілька дрібних ядерець, або одне велике або декілька ядерець різної величини. У клітинах з низьким рівнем білкового синтезу ядерця невеликі або не виявляються. Ядерця не мають оболонки й оточені шаром конденсованого хроматину - т. з. навколоядерцевого, або перинуклеолярного, гетерохроматину. За допомогою цитохімічних методів в ядерці виявлені РНК й білки (кислі та основні). Білки ядерець містять ферменти, які беруть участь у синтезі рРНК.

Розміри ядерець залежать від типу і функції клітин організму. Треба наголосити, що розмір і структура ядерець у переважній більшості випадків корелюють з об’ємом клітинного білкового синтезу. В ядерці відбувається синтез рибосомальної РНК (рРНК). В ядерці є особлива компактна фібрилярної консистенції зона, яка називається фібрилярний центр. Поблизу ядерця виявляється своєрідне тільце, що називається тільцем Барра, яке відповідає одній із двох Х-хромосом клітин особин жіночої статі. Зони фібрилярного центру називають ще ядерцевими організаторами, в яких міститься велика кількість копій генів, які кодують рРНК.

Збільшення розмірів і кількості ядерець призводить до збільшення розмірів ядер, що свідчить про підвищення функціональної активності. Збільшення кількості і розмірів ядерець спостерігається в пухлинних клітинах.

Ядерні включення поділяють на 3 групи: цитоплазматичні, справжні та вірусозумовлені.

Ядерні цитоплазматичні включення - це обмежена оболонкою частина цитоплазми в ядрі, поява якої пов’язана з порушенням мітотичного поділу в телофазі (постмітотичне розправлення каріомер). Ядерні цитоплазматичні включення можуть містити всі складові частини клітини. Якщо ядерні цитоплазматичні включення зв’язані цитоплазматичним „листком” з іншим клітинним простором, то вони зберігаються. При відсутності такого з’єднувального „листка” такі включення піддаються коагуляції і гинуть. Таке цитоплазматичне включення набуває кулеподібної форми і може сприйматись за вірусне включення.

Справжні ядерні включення - це речовини в каріоплазмі, що містяться в цитоплазмі (білок, глікоген, ліпіди тощо). У більшості випадків ці речовини потрапляють із цитоплазми в ядро через пошкоджені, або напівпошкоджені пори ядерної оболонки або через пошкоджену ядерну оболонку. Проникнення речовин можливе і при мітозі в період телофази Включення глікогену в ядрах гепатоцитів спостерігається при цукровому діабеті. О.В. Жаров описав жирові включення в ядрах гепатоцитів при кетозах великої рогатої худоби. Описані особливі форми справжніх включень ядра, які утворюються при отруєннях важкими металами, що здатні проникати в ядро і викликати зміну його білків. Це часто трапляється при отруєнні солями свинцю.

Вірусозумовлені ядерні включення (т.з. тільця ядерних включень) - це білкові часточки в каріоплазмі, які утворилися при внутрішньоядерному розмноженні вірусу і нагадують його кристалічну сітку, їх розглядають як реакцію пошкодження (реактивні включення) вірусом цитоплазми.

Ядерна оболонка, або нуклеолема (nucleolemma) побудована із зовнішньої та внутрішньої ядерної мембран ліпопротеїдної природи. Простір між названими мембранами зветься перинуклеарним. Ширина його дорівнює 25 нм. Ядерна оболонка несуцільна, вона має в собі пори (поровий комплекс, поросоми). Типова поросома - це складна система білкових глобул і фібрил. В місці розташування порового комплексу зовнішня і внутрішня ядерні оболонки з’єднуються, формуючи так звану анулярну структуру (рис.1.2.1.15).

Будова і число поросом варіює і залежить від типу клітини і її функціонального стану. У клітинах з високою метаболічною активністю поровий комплекс займає 25-50% поверхні ядра. За допомогою поросом здійснюється взаємодія між ядром та цитоплазмою.

Ядерній оболонці властиві такі функції, порушення яких може бути основою для патології клітини, а саме:

1) підтримання форми та розмірів ядра;

2) прикріплення ДНК для полегшення реплікації і транскрипції;

3) контроль нуклеоцитоплазматичного обміну, в т. ч. вивільнення РНК, фізичний бар’єр між генетичним архівом і метаболічними та синтетичними компонентами цитоплазми;

4) синтез мембран, оскільки ядерна мембрана безперервно пов’язана з ендоплазматичною сіткою;

5) детоксикація низки речовин і модуляцій гормональних впливів, які досягли нуклеоплазми (Brandstetter D., Joldblatt Р., 1983).

Можливі зміни структури нуклеолеми при патологічних станах і хворобах наведені в табл.2.

2. Структури ядерної оболонки та її зміни при патологічних станах і хворобах.

Структури ядерної оболонки та їх можливі зміни	Патологічний стан, хвороби та чинники
Порушення зв’язку з ендоплазматичною сіткою	Білкова недостатність; пухлини; інтоксикація
Зміни центральної гранули ядерної пори	Блок синтезу рибонуклеопротеїдів (РНП)
Хроматиновий пікноз	Зміни мембранної проникності
Розширення перинуклеарного простору	Гіпоксія; ішемія; дія іонізуючого випромінювання; вроджені та набуті вади серця; голодування
Випинання зовнішньої мембрани ядерної оболонки	Гіпоксія; дія іонізуючих випромінювань; вірусні інфекції; пухлини
Випинання та викривлення внутрішньої мембрани ядерної оболонки	Пухлини
„Здуття” внутрішньої і зовнішньої мембран ядерної оболонки	Висока метаболічна активність пошкодження цитоплазми; голодування; лімфопроліферативні процеси; іонізуюче випромінювання; підсилений транспорт РНП
Маргінація хроматину в дрібні або великі довільно розташовані агрегати	Іонізуюче випромінювання; мутагени; хімічні речовини
Просвітлення нуклеоплазми і набряк	Гіпоксія; іонізуюче випромінювання; природжені вади серця
Включення в ядрі: білків ліпідів глікогену вірусні	інтоксикація дія пестицидів, кетози цукровий діабет вірусні інфекції
Зменшення розміру пор у каріолемі	Іонізуюче випромінювання, вірусні інфекції
Зменшення кількості поросом	Іонізуюче випромінювання; старіння
Збільшення кількості поросом	Регенерація; пухлини; інтоксикація
Утворення глибоких інвагінацій в ядерній оболонці	Гіперфункція; дія токсичних речовин; декомпенсовані пороки серця; хронічні серцево-судинні захворювання
Анулярні структури	Фрагменти ядерної оболонки в мітозі; пухлини; низька температура

Мітоз (mitosis) або каріокінез (karyokinesis), непрямий поділ - це універсальний спосіб поділу клітин, що забезпечує їх репродукцію. За А.П.Авциним і В.А.Шахламовим (1979), підготовка клітин до мітозу складається з таких послідовних процесів: репродукція ДНК, подвоєння маси клітини, синтез білкових компонентів хромосом і мітотичного апарату, подвоєння клітинного центру, накопичення енергії для цитотомії.

Процес мітозу умовно поділяють на 4 стадії: профазу, метафазу, анафазу і телофазу.

У профазі проходить формування хромосом і розходження центріолей; ядерце зникає, каріолема зберігається.

У метафазі завершується формування веретена поділу. Хромосоми з’являються в екваторіальній площині, утворюючи метафазну пластинку.

Анафаза - це стадія переміщення хромосом до полюсів, коли утворюються дві їх групи, повернутих центромерами до полюса, а плечами - до екватора (фігура „дочірніх зірок”). Анафазний рух забезпечує рівномірний розподіл хромосом між дочірніми клітинами.

У заключну стадію мітозу - телофазу - відбувається поділ клітини на дві дочірні (цитокінез і цитотомія).

Крім мітозу, відомі ще й інші способи репродукції клітин - ендомітоз і політенія. При цих способах репродукції не відбувається ні утворення нових ядер, ні розділення клітинного тіла, тобто не настає збільшення числа клітин, хоча збільшується клітинна маса. При ендомітозі відбувається редуплікація хромосом без руйнування ядерної оболонки, внаслідок чого збільшується число хромосом, виникає поліплоїдна клітина і збільшується маса цитоплазми. При політенії відбувається збільшення хромонем у хромосомах, що призводить також до поліплоїдізації і збільшення маси ядра і цитоплазми.

Мітоз в організмі багатоклітинних тварин контролюється загальною системою регуляції - нервовою системою, гормонами залоз внутрішньої секреції (надниркової, щитоподібної, гіпофізу, статевих) - та місцевими факторами, які утворюються при функціональній активності клітин. Треба зважувати, що мітотична активність залежить від чинників середовища (освітлення, температури, режиму живлення, добових ритмів тощо).

При різних патологічних процесах мітотичний процес порушується. За І.О.Аловим (1972), розрізняють три основних види патології мітозу:

1) Пошкодження хромосом (їх набрякання, склеювання, фрагментація, пошкодження центромери, відставання переміщення окремих хромосом, утворення мікроядер, порушення спіралізації та деспіралізації, раннє роз’єднання хроматид);

2) Пошкодження мітотичного апарату (затримка мітозу в метафазі, багатополюсний моноцентричний і асиметричний мітоз, тригрупова метафаза, К-мітоз);

3) Патологія цитотомії (передчасна цитотомія, затримка цитотомії, відсутність цитотомії).

Патологію мітозу можуть спричинити різні чинники: ультрафіолетове та іонізуюче випромінювання, висока температура, дія мітотичних токсинів, отрут, різні екстремальні агенти, вірусні інфекції, канцерогени тощо.

Хромосомні аберації та хромосомні хвороби. Хромосомні аберації - це зміни числа і структури хромосом, викликані їх розривами з наступним перерозподілом, втратою чи подвоєнням генетичного матеріалу. Внаслідок таких аномалій хромосом виникає глибока патологія, порушується баланс генетичних чинників, що призводить до виникнення хромосомних хвороб.

Хромосомні хвороби - це група хвороб, в основі розвитку яких лежать порушення числа і структури хромосом, які виникли в гаметах (зрілих статевих клітинах) батьків або на ранній стадії дроблення зиготи.

Хромосомні хвороби можна поділити на пов’язані з аномаліями соматичних хромосом (автосом) і з аномаліями статевих хромосом (тілець Барра). Порушення можуть проявлятись при зміні числа хромосом - трисоміями (коли з’являється третя, додаткова хромосома в диплоїдному наборі) або мопосоміями (коли одна із хромосом відсутня). Хромосомні хвороби, зумовлені порушенням числа окремих хромосом (трисомії і моносомії) можуть траплятися як серед автосом, так і серед статевих хромосом. Моносомія автосом (будь-які хромосоми, окрім X- та Y-хромосом) несумісні з життям. Трисомії автосом достатньо поширені в патології і найчастіше представлені певними синдромами.

Велика група хромосомних хвороб - це синдроми, зумовлені структурною перебудовою хромосом. Описано біля 700 типів цих порушень у людини.

Ступінь пошкодження органів і систем при хромосомних хворобах залежить від багатьох чинників: типу хромосомної аномалії, індивідуальності за генним складом, втягування в аномалію хромосоми недостатнього або надмірного розміру, матеріалу індивідуальної хромосоми, ступеня мозаїчності організму за аномальним клітинним клоном, генотипу організму, умов середовища, в яких розвивається організм (Н.П.Куликов,1986).

Діагностика хромосомних хвороб здійснюється на підставі клініко-морфологічних і цитогенетичних досліджень.

Контрольні питання

1. Дайте визначення поняттю „патологія клітини”.

2. Які ви знаєте органели і яка їх роль в житті клітини?

3. Перерахуйте метаплазматичні структури і назвіть їх роль в житті клітини.

4. Цитоплазматичні включення та їх роль в житті клітини.

5. Визначте ультраструктурну патологію мембран клітини та їх рецепторного апарату.

6. Ультраструктурна патологія гранулярної цитоплазматичної сітки.

7. Ультраструктурна патологія мітохондрій.

8. Види та форми ультраструктурної патології ядра.

9. Що таке цитоскелет клітини і які є його види?

10. Назвіть види патології стиків клітини.

11. Чому патологія клітини є основою загальної та спеціальної патологічної анатомії тварин?

12. Основні етапи розвитку вчення про патологію клітини.

13. Патологія мітозу.

14. „Хвороби” рецепторів клітини.

15. Лізосомні „хвороби”.

16. Пероксисомні „хвороби”.

17.Ультраструктурна патологія цитоплазматичної (клітинної) оболонки.