Cytológia: A sejt felépítése és funkciói

Kép : “Stem Cell” by
PublicDomainPictures. License: Public Domain

A sejt definíciója

A sejt mint biológiai szervezeti egység minden szervezet legkisebb alapeleme. Autonóm, és alapvető, alapvető funkciókat lát el az anyagcsere, a növekedés, a mozgás, a szaporodás és az öröklődés terén.

Eukarióta és prokarióta sejtek összehasonlítása

Az eukarióta sejtek 10-100 µm méretűek, és több kromoszóma DNS-ét tartalmazó sejtmaggal rendelkeznek. A DNS az exonok (kódoló DNS) mellett számos intront (nem kódoló gének) is tartalmaz, amelyeket olyan folyamatok, mint a splicing, a fehérjék bioszintézisén keresztül távolítanak el.

A citoplazma erősen kompartmentalizált és gazdag sejtorganellákban. A riboszómák molekulatömege 80S a 60S és 40S alegységek esetében (a tömeg mennyisége mint Svedberg-centrifugálási állandó). A légzési lánc a mitokondriumokban zajlik. Az eukariótákra példa a gombák és az állati sejtek (a féregsejtektől az emberi sejtekig).

A prokarióta sejt azonban csak 1-10 µm méretű, és mag helyett egy sejtmag-egyenértéket (nukleoid) tartalmaz. Ez a “magszerű”, sűrűn csomagolt molekula a citoplazmában helyezkedik el, és a DNS-t tartalmazza, amely csak egy kromoszómát tartalmaz, intronok nélkül.

Mellett jelen lehet egy plazmid (cirkuláris, extrachromoszómális DNS), amely különleges szerepet játszik az antibiotikum-rezisztens baktériumok kialakulásában. A citoplazma kevésbé kompartmentalizált, és a légzési lánc kifejezetten a citoplazma membránjában helyezkedik el.

Míg a mitokondriumok, a Golgi-apparátus és az endoplazmatikus retikulum hiányzik, a riboszómák molekulatömege 70S az 50S és 30S alegységek esetében. Az olyan baktériumok, mint az Escherichia coli, a prokarióták csoportjába tartoznak.

Ezek a különbségek a biológia és a biokémia közös vizsgatémái.

A sejtmembrán szerkezete és működése

A sejtmembrán, más néven plazmalemma, körülveszi a citoplazmát, és az intra- és extracelluláris terek közötti határvonalként szolgál. Foszfolipid kettősrétegből áll, a foszfolipidek hidrofil részei az intra- és extracelluláris tér felé irányulnak. A hidrofób részek középen helyezkednek el a membránon belül.

Kép: Foszfolipid kettősréteg. Szerző: philschatz, licenc: CC BY 4.0

A perifériás glikocalyx cukorláncokból (poliszacharidokból) áll, amelyek kovalensen kötődnek a membránfehérjékhez (glikoproteinekhez) és a membránlipidekhez (glikolipidekhez). A glikokalyx egyedi és sejttípus-specifikus, ez azt jelenti, hogy például meghatározza az eritrociták vércsoportjellemzőit.

Folyékonysága révén a sejtmembrán egyszerre stabil és rugalmas. Folyékonysága a hőmérséklet és a lipidösszetétel függvényében változhat. A membrán félig áteresztő (más néven szelektív permeabilitás), ami azt jelenti, hogy a kis molekulájú anyagok, például a víz számára, amelyek ozmotikusan képesek diffundálni. A nagyobb molekulájú anyagoknak, például a fehérjéknek speciális transzportrendszerekre van szükségük ahhoz, hogy átjussanak a sejtmembránon.

A sejtmembrán működését döntően a membránfehérjék határozzák meg, amelyek közé tartoznak: ioncsatornák, sejtadhéziós molekulák, aquaporinok, membránpumpa, szállítófehérjék és receptorfehérjék.

Kép: Sejtmembrán. Szerző: philschatz, licenc: Philschatz: CC BY 2.0

A sejtmag szerkezete és működése

A sejtmag (sejtmag) a kromoszómákba csomagolt DNS-t tartalmazza, és mérete és szerkezete aktivitásától függően változhat. A karyoplazmát a citoplazmától a porózus maghártya, a karyolemma választja el.

A maghártya külső és belső maghártyából, valamint a köztük lévő térből, a perinukleáris ciszternából áll. A külső magmembrán beleolvad az endoplazmatikus retikulumba, és a riboszómák foglalják el. A belső magmembrán a filcszerű nukleáris lamina (lamina nuclearis) belsejében van, amelyet 30-100 nm méretű köztes filamentumok rétege alkot.

Nagyjából 1000-4000 nukleáris pórus biztosítja az anyagcserét a citoplazma és a karyoplazma között, amelyben a < 5 kDa molekulák szabadon diffundálnak, a nagyobb molekulák, például a fehérjéké pedig receptorkötés révén átjutnak.

A sejtmagban egy kis gömb alakú nukleolus (nukleolus) található, amelyből a riboszómális RNS származik. A transzláció előfeltételét jelentő transzkripciót és a mitózis előfeltételét jelentő replikációt is a sejtmag irányítja.

Kép: A sejtmag. Szerző: philschatz, licensz: CC BY 4.0

A citoplazma funkciói

A citoplazmát, más néven citoszolt a sejtmembrán határolja, és az egyes sejtek folyékony mátrixát jelenti. A citoplazmába ágyazódik a citoszkeleton, a sejtorganellumok és a sejtzárványok.

A citoplazmán belül a fehérje bioszintézis, az ionáramok, valamint a vezikuláris transzport a Golgi-készülék, az endoplazmatikus retikulum és a sejtmembrán körül zajlik. A sejt térfogatának mintegy 50%-át teszi ki, és pH-ja 7,2.

A sejtorganellumok osztályozása

A sejtorganellumok a citoplazmába ágyazódnak, és a következőkre oszthatók:

• Membránra korlátozott organellumok (durva és sima endoplazmatikus retikulum, Golgi apparátus, mitokondriumok, lizoszómák, peroxiszómák)
• Membránra nem korlátozott organellumok, mint a riboszómák vagy centriolák

Egyedi sejtorganellumok szerkezete és funkciója

Kép: Prototípusos emberi sejt. Szerző: philschatz, licensz: CC BY 4.0

Endoplazmatikus retikulum (ER)

Az endoplazmatikus retikulum egy csőszerű membránrendszerre utal. A durva endoplazmatikus retikulumot riboszómák foglalják el, és elősegíti az endoszómák, transzmembrán fehérjék vagy szekréciós granulumok fehérje bioszintézisét. A sima endoplazmatikus retikulumot nem foglalják el riboszómák, és a következő változatos funkciókat látja el:

• Tárolja és szabályozza a kalciumionokat a harántcsíkolt izomsejtek citoplazmájában (itt szarkoplazmatikus retikulumnak nevezik)
• Lipid- és szteroidhormonok szintézise
• A hepatocitákon belül endogén és idegen anyagok detoxikálása

Kép: Endoplazmatikus retikulum (ER). Szerző: philschatz, licensz: CC BY 4.0

Golgi-apparátus

A Golgi-apparátus diktioszómákból (4-10 membránnal borított, korong alakú üregek halmaza) áll, és egy domború cisz-régióval és egy homorú transz-régióval rendelkezik, amelyek egymással szemben állnak. A durva endoplazmatikus retikulumban termelődő fehérjék a cis-Golgi-apparátusba transzportvizikulumok segítségével jutnak, majd a Golgi-apparátuson belül módosulnak és feldolgozódnak (foszforiláció, szulfatáció, glikoziláció), és rendeltetési helyük szerint rendeződnek.

A transz-helyen történik a szekréciós szemcsékbe vagy vezikulákba való csomagolás. Az endoplazmatikus retikulumban szükséges enzimek esetében retrográd transzport (transzból ciszbe) mutatható ki.

Image: Golgi Apparatus. Szerző: philschatz, licenc: CC BY 4.0

Mitokondriumok

A sejt ezen “erőművei” oxidatív foszforilációval energiát szolgáltatnak a sejteknek, és gyakori témája a vizsgáknak. Az érett eritrociták kivételével a mitokondriumok minden sejtben megtalálhatók.

A mitokondriumok 2 membránnal, valamint a közöttük lévő intermembrán térrel rendelkeznek. A sima külső membrán porinokat tartalmaz, amelyeken a < 10 kDa molekulák átjuthatnak, míg a belső membrán a felület növelése érdekében nagymértékben összehajtogatott. Ez korlátozza a mátrixteret, és a légzési lánc és az ATP-szintézis enzimjeit hordozza.

A belső membránnak a hajtogatás miatt alapvetően 2 különböző típusa van:

1. Crista típus: metabolikusan aktív sejtekben, például a kardiomiocitákban
2. Tubulus típus: szteroidtermelő sejtekben

A mátrix térben helyezkednek el a β-oxidáció és a citromsavciklus enzimei.

A mitokondriumok félautonómok, mivel saját cirkuláris DNS-sel (mtDNS) rendelkeznek. Az endoszimbiózis elmélet szerint a mitokondriumok filogenetikai prokarióták, amelyek szimbiózis során épülnek be eukariótákba.

Ezt a hipotézist támasztja alá az is, hogy a mitokondriumok 70S riboszómákkal (50S és 30S alegységek) rendelkeznek, valamint a bakteriális lipid kardiolipin részvétele a belső membrán kialakításában.

Kép: Mitokondrium. Szerző: philschatz, licenc: CC BY 4.0

Lizoszómák

A lizoszómákra jellemző többek között a savas pH (4,5-5), valamint a savas hidrolázok, proteázok, lipázok, észteráz enzimek, elasztázok, kollagenázok és savas foszfatázok magas tartalma.

Főbb jellemzőik az auto- és heterofágia, valamint az endogén és idegen anyagok lebontása. Ha egy elsődleges lizoszóma (még inaktív) összeolvad a lebontandó anyagokkal, akkor másodlagos lizoszómának nevezzük.

Peroxiszómák

Kép: Peroxiszóma. Szerző: philschatz, licenc: CC BY 4.0

A peroxiszómák főként a májban és a vesében találhatók, és a peroxidáz és a kataláz enzimeket tartalmazzák, mivel a zsírsavak oxidáció útján történő lebontását szolgálják. E folyamat során melléktermék, hidrogén-peroxid keletkezik, amely sejtkárosodáshoz vezethet. Ezért azt kataláz segítségével vízzé és oxigénné kell lebontani.

Riboszómák

Az eukarióta 80S riboszómák 2 alegységből (60S és 40S) állnak, amelyek egyharmad részben fehérjékből, kétharmad részben rRNS-ből állnak. Megtalálhatók a citoszolban és segítik a citoplazmatikus és nukleáris fehérjék szintézisét, vagy lehetnek membránhoz kötöttek a durva endoplazmatikus retikulumban, hogy lehetővé tegyék a lizoszomális fehérjék szintézisét, valamint a fehérjék vagy membránfehérjék exportját.

Centriolák

Ezek a sejtorganellumok hengeres formában jelennek meg és mikrotubulusokból állnak. A centriolák egyik párja a másikra merőlegesen helyezkedik el, így alkotva a centroszómát. A centroszóma a mikrotubulusok képződési helye, és MTOC-nak (microtubule organizing center) is nevezik.

Celluláris zárványok

A sejtzárványok az anyagcsere melléktermékei, tárolt tápanyagok, exogén vagy endogén anyagok felhalmozódásai, amelyek szabadon vannak a citoplazmában. Ide tartoznak a glikogénrészecskék, intracelluláris zsírcseppek, pigmentált sejtstruktúrák (hemosiderin, lipofuscin, szénpor) és vírusrészecskék.

Egyes betegségek, például a hemokromatózis vagy a glikogénraktározási betegség esetében a sejtzárványok kóros mértékben vannak jelen.

A citoszkeleton összetevői és funkciói

A citoszkeleton a citoplazmában helyezkedik el, és a sejt stabilizálásáért, az anyagok sejten belüli szállításáért, valamint a sejt vándorlásáért (lat.: migrare=vándorlás) felelős. Ezt a 3 dimenziós hálózatot mikrotubulusok, intermedier filamentumok és aktin filamentumok alkotják. Ezek a komponensek folyamatos össze- és szétszerelésnek, az úgynevezett polimerizációnak és depolimerizációnak vannak kitéve.

Kép: A citoszkeleton 3 összetevője. Szerző: philschatz, licensz: CC BY 4.0

Aktin filamentumok (F-aktin)

A citoszkeleton legkisebb, 7 nm átmérőjű komponensei, amelyeket mikrofilamentumoknak is neveznek.

Az F-aktin 2, spirálisan egymás köré tekeredő aktin láncból áll, amelyek sok globuláris aktin monomer (G-aktin) polimerizációja révén jönnek létre. Az aktin filamentumok sok esetben – de nem mindig – az aktin rendszer motorfehérjéjéhez, a miozinhoz kapcsolódnak. Ezek képezik az izmok filamentum-csúszási mechanizmusának alapját.

Az aktin filamentumoknak emellett stabilizáló funkciójuk is van, hiszen a mikrovillák alapszerkezetét vagy a desmosomák rögzítési pontját képezik.

Intermedier filamentumok

10 nm-es átmérőjükkel a sejt passzív tartószerkezetét alkotják. Az intermedier filamentumok expressziója szövettípusonként változik, ezért a segítségével meghatározható például egy rosszindulatú daganat eredete:

Mikrocsövek

25 nm átmérőjű, Ezek a citoszkeleton legnagyobb összetevői, és a centroszómából erednek (lásd fentebb). α- és β-tubulin dimerekből állnak, és megjelenésükben egy üreges hengerhez hasonlítanak, melynek egyik vége negatívan, a másik pozitívan töltött.

A mikrotubulusok meghatározzák a sejtorganellumok elhelyezkedését a sejten belül, és a közvetlen anyagátvitel hálózatát alkotják. A mitózis és a meiózis során a kinocíliák és az orsóapparátus alapszerkezetét is ezek alkotják.

A sejtkontaktusok szerkezete és funkciója

A 3 sejttípus funkciói alapján a kontaktusokat a következőkbe sorolhatjuk:

1. Kommunikációs kontaktusok
2. Adhéziós kontaktusok
3. Barrier kontaktusok mint át nem eresztő kapcsolatok

Kommunikációs kontaktusok

Ezek közé tartoznak a gap junctions, más néven nexusok (fontos tesztkérdések).

Konnexin nevű transzmembránfehérjékből állnak. Hat konnxin alkot egy konnxont, majd 2 konnxon egy nexust. Ezek teszik lehetővé az elektromos és metabolikus kommunikációt 2 szomszédos sejt között. Különösen sok gap junction található például a szívizom interkalált lemezében.

Adhéziós/adhéziós kontaktok

Mechanikai horgonyként szolgálnak és 3 alapvető komponensből állnak: transzmembránfehérjék, plakkfehérjék és a citoszkeleton. A dezmoszómák a szomszédos sejtek között sejt-sejt kontaktusként találhatók. A hemideszmoszómák viszont a sejtet az extracelluláris mátrixhoz kötik, sejt-mátrix kontaktust hozva létre.

A következő táblázat áttekintést ad az adhéziós kontaktusok különböző típusairól, mivel ezek a szövettani és biokémiai vizsgálat szempontjából relevánsak.

Barrier-/záró kapcsolatok

Az úgynevezett tight junctions, zonula occludens, a szomszédos sejtek külső membránjának összeolvadásával alakulnak ki. Így az intracelluláris tér öv alakú, és körülzárja ezt a területet, így a paracelluláris molekulaáramlás akadályozva van (diffúziós gát). Ezen a területen az occludin és a claudin fontos transzmembránfehérjék.

Funkcionális komplex

Ez az adhéziós komplex szelektív permeabilitási gátként szolgál, és az apikális rétegből a bazális réteg felé nézve a zonula occludensből, a zonula adhaerensből és a macula adhaerensből áll.

Cellakommunikáció

Hormonok és transzdukció

A hormonok kémiai hírvivők, amelyek információt továbbítanak egyik sejtből a másikba. Ezeket a vegyületeket az endokrin mirigyek, például az agyalapi mirigy és a pajzsmirigy termelik.

A fontos endokrin szervek és hormonok áttekintése

A hormonális szervek a külső környezetből érkező jelzésekre, például fájdalomra reagálva termelnek hormonokat, nyomás, hő és fény. Hormonok termelődhetnek a szervezeten belülről érkező jelzésekre, például az éhségre adott válaszként is.

• A hormonok termelődése után a vérbe választódnak, amely a test más részein lévő sejtekhez szállítja őket, ahol kifejtik hatásukat.
• A hormonok célsejtjei receptorokkal rendelkeznek, amelyek lehetővé teszik számukra, hogy reagáljanak a hormonra. Ezek a receptorok fehérjékből állnak, és általában a sejt felszínén található plazmamembránban helyezkednek el, bár egyesek a sejt belsejében is megtalálhatók.
• Amikor a hormon eléri a receptorral rendelkező sejtet, kötődik a receptorhoz, és konformációs változást okoz. Ez azt jelenti, hogy a receptor megváltoztatja az alakját, és korlátozza a másik hormonhoz való kötődési képességét.

A konformációs változás egy sor reakciót is elindít a sejten belül, amelyeket transzdukciós kaszkádoknak nevezünk. A hormontól és a receptorral rendelkező specifikus sejttől függően ez az eseménylánc olyan enzimek felszabadulását vonhatja maga után, amelyek együttesen válaszokat generálnak.

A hormonok hatása a célsejtekre

Ezek a válaszok a sejtosztódástól, a sejtmozgástól és a sejthaláltól kezdve terjednek. Ezek magukban foglalhatják az ioncsatornák változását is, amelyek lehetővé teszik vagy korlátozzák bizonyos molekulák mozgását a sejtekbe.

A hormonok jelátvitelének további hatásai közé tartozik a glükóz felszívódása a vérből (inzulin), a vérnyomás és a szívfrekvencia emelkedése (adrenalin), valamint a menstruációs ciklus szabályozása (ösztrogén és progeszteron).

A jelátvitel lehetővé teszi a sejt számára, hogy szabályozza a hormonra és a környezetre adott válaszát. Azáltal, hogy sok lépcsőfok van, a hormon hatása is felerősödik.